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Understanding heat transfer in wearable devices using direct numerical simulations
Sánchez Castellanos, Richard N.
Sánchez Castellanos, Richard N.
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Abstract
The use of wearable devices has grown and has led to the integration of advanced sensors. As these devices incorporate more sensors, their power consumption increases, leading to a higher risk of overheating. Understanding the convective heat transfer of these devices with the surrounding air, where the heat generated is dissipated, helps to address the risks. This study focuses on the turbulent flow and local heat transfer around a wall-mounted prism. The prism represents a wearable device, with the lower wall simulating the human skin. In this setup, the surrounding fluid is initially maintained at ambient temperature, while the prism temperature is varied to mimic the overheating effects observed in wearable devices. To obtain a comprehensive understanding, direct numerical simulations based on the Navier-Stokes and energy conservation equations are performed. Three different heat transfer mechanisms are evaluated: forced, natural and mixed convection. The methodology was validated through canonical benchmark cases. Flow structures such as separation, recirculation, and vortex dynamics were analyzed using the lambda2 criterion, revealing hairpin, horseshoe, and arc vortices that significantly enhance local heat transfer. Nusselt number distributions were evaluated across the prism surfaces. At low Reynolds numbers, natural convection dominated, resulting in symmetric but relatively weak heat transfer. At higher Reynolds numbers promoted turbulence and led to localized peaks in heat transfer due to vortex-induced mixing. Forced and mixed convection regimes showed similar behavior, confirming the predominance of inertial over buoyant forces. An correlation of the form Nu = C Re^a Ra^b was developed to predict heat transfer without new simulations.
El uso de dispositivos portátiles ha aumentado y ha llevado a la integración de sensores avanzados. A medida que estos dispositivos incorporan más sensores, su consumo de energÃa también incrementa, lo que genera un mayor riesgo de sobrecalentamiento. Comprender la transferencia de calor por convección entre estos dispositivos y el aire circundante, donde se disipa el calor generado, ayuda a mitigar dicho riesgo. Este estudio se enfoca en el flujo turbulento y la transferencia de calor local alrededor de un prisma montado sobre una pared. El prisma representa un dispositivo portátil, mientras que la pared inferior simula la piel humana. En esta configuración, el fluido circundante se mantiene inicialmente a temperatura ambiente, y la temperatura del prisma se varÃa para imitar los efectos de sobrecalentamiento observados en dispositivos portátiles. Para lograr una comprensión integral, se realizaron simulaciones numéricas directas basadas en las ecuaciones de Navier-Stokes y conservacion de la energia. Se evaluaron tres mecanismos distintos de transferencia de calor: convección forzada, natural y mixta. La metodologÃa fue validada mediante casos de referencia canónicos. Las estructuras del flujo, como la separación, recirculación y dinámica de vórtices, fueron analizadas utilizando el criterio de lambda2, revelando vórtices en forma de horquilla, de herradura y arqueados que mejoran significativamente la transferencia de calor local. Se evaluaron las distribuciones del número de Nusselt sobre las superficies del prisma. A bajos números de Reynolds, la convección natural predominó, resultando en una transferencia de calor simétrica pero relativamente débil. A mayores números de Reynolds, la turbulencia se intensificó, generando picos localizados en la transferencia de calor debido a la mezcla inducida por vórtices. Los regÃmenes de convección forzada y mixta mostraron comportamientos similares, lo que confirma la predominancia de las fuerzas inerciales sobre las de flotación. Se desarrolló una correlación de la forma Nu = C Re^a Ra^b para predecir la transferencia de calor sin necesidad de nuevas simulaciones.
El uso de dispositivos portátiles ha aumentado y ha llevado a la integración de sensores avanzados. A medida que estos dispositivos incorporan más sensores, su consumo de energÃa también incrementa, lo que genera un mayor riesgo de sobrecalentamiento. Comprender la transferencia de calor por convección entre estos dispositivos y el aire circundante, donde se disipa el calor generado, ayuda a mitigar dicho riesgo. Este estudio se enfoca en el flujo turbulento y la transferencia de calor local alrededor de un prisma montado sobre una pared. El prisma representa un dispositivo portátil, mientras que la pared inferior simula la piel humana. En esta configuración, el fluido circundante se mantiene inicialmente a temperatura ambiente, y la temperatura del prisma se varÃa para imitar los efectos de sobrecalentamiento observados en dispositivos portátiles. Para lograr una comprensión integral, se realizaron simulaciones numéricas directas basadas en las ecuaciones de Navier-Stokes y conservacion de la energia. Se evaluaron tres mecanismos distintos de transferencia de calor: convección forzada, natural y mixta. La metodologÃa fue validada mediante casos de referencia canónicos. Las estructuras del flujo, como la separación, recirculación y dinámica de vórtices, fueron analizadas utilizando el criterio de lambda2, revelando vórtices en forma de horquilla, de herradura y arqueados que mejoran significativamente la transferencia de calor local. Se evaluaron las distribuciones del número de Nusselt sobre las superficies del prisma. A bajos números de Reynolds, la convección natural predominó, resultando en una transferencia de calor simétrica pero relativamente débil. A mayores números de Reynolds, la turbulencia se intensificó, generando picos localizados en la transferencia de calor debido a la mezcla inducida por vórtices. Los regÃmenes de convección forzada y mixta mostraron comportamientos similares, lo que confirma la predominancia de las fuerzas inerciales sobre las de flotación. Se desarrolló una correlación de la forma Nu = C Re^a Ra^b para predecir la transferencia de calor sin necesidad de nuevas simulaciones.
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Date
2025-05-15
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Numerical simulations, Wearable devices, Heat transfer