Examination of Effect of Impinging Jet-Cross Flow on Cooling Performance Depending on Variation of Fin Position

Abstract

The cooling of electronic devices is improved by the jet effect created by the impinging jet and cross flow. In this study, heat transfer from patterned surfaces in finless and different fin spacing (N = D and 1.5D) channels with impinging jet and cross flow was numerically investigated. Numerical analysis was carried out steady state and in three dimensional by using Ansys-Fluent program with k-ε turbulence model. Three patterns were positioned in the channels, taking into account the channel sizes in the studies in the literature. The angle of the fin in the channel with the horizontal is 60o. The Re number range of both cross flow and impinging jet flow is 11000-15000. So as to prove the accuracy of the study, the results were compared with the results in the Nu number equation obtained by the experimental study in the literature and it was determined that they were quite compatible. The results of the study were analyzed as the average Nu number and the variation of the average surface temperature for each patterned surface and pattern row. In addition, velocity and temperature contour distributions were evaluated in the combined jet flow channel with both pattern surfaces at Re = 15000 and H = 3D heights, without fins and at fin positions with N = D and 1.5D distances. For all three patterned surfaces in the channel, the average Num value increased by 21.63% at 60o finned N = 1.5D distance compared to the finless condition, while this increase was 4.4% when N = D in the finned channel.

Keywords

• Combined jet flow
• Fin
• Patterned surface
• Cooling
• Combined jet flow, Fin, Patterned surface, Cooling

Project Number

TENO-2021-031

Kanatçık Konumunun Değişimine Bağlı Olarak Çarpan Jet-Çapraz Akışın Soğutma Performansı Üzerindeki Etkisinin Araştırılması

Abstract

Çarpan jet ve çapraz akışın oluşturduğu jet etkisiyle elektronik cihazların soğutulmaları iyileştirilmektedir. Bu çalışmada, çarpan jet ve çapraz akışıyla kanatçıksız ve farklı kanatçık mesafeli (N = D ve 1,5D) kanallarda desenli model yüzeylerinden olan ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal inceleme, sürekli ve üç boyutlu olarak k-ε türbülans modelli Ansys-Fluent programından faydalanılarak yapılmıştır. Kanallarda literatürdeki çalışmalardaki kanal boyutları dikkate alınarak üçer adet desen konumlandırılmıştır. Kanaldaki kanatçığın yatayla yaptığı açı 60o’ dir. Hem çapraz akış hem de çarpan jet akışının Re sayısı aralığı 11000-15000’ dir. Çalışmanın doğruluğunu kanıtlayabilmek amacıyla sonuçlar, literatürdeki deneysel çalışmayla elde edilen Nu sayısı eşitliğindeki sonuçlarla kıyaslanmış ve oldukça uyumlu oldukları belirlenmiştir. Çalışmanın sonuçları, her bir desenli yüzey ve desen sırası için ortalama Nu sayısı ve ortalama yüzey sıcaklığının değişimleri olarak incelenmiştir. Ayrıca, Re = 15000 ve H = 3D yükseklikte her iki desen yüzeyli birleşik jet akışlı kanalda kanatçıksız ve N = D ve 1,5D mesafeli kanatçık konumlarında hız ve sıcaklık konturu dağılımları değerlendirilmiştir. Kanaldaki her üç desenli yüzey için ortalama Num değeri kanatçıksız duruma göre 60o kanatçıklı N = 1,5D mesafesinde %21,63 artarken, kanatçıklı kanalda N = D iken bu artış miktarının %4.4 olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Birleşik jet akış
• Kanatçık
• Desenli yüzey
• Soğutma
• Birleşik jet akış, Kanatçık, Desenli yüzey, Soğutma

Supporting Institution

Sivas Cumhuriyet Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (CÜBAP) birimi

Project Number

TENO-2021-031

Thanks

Bu çalışma, Sivas Cumhuriyet Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (CÜBAP) birimi tarafından TEKNO-2021-031 proje numarası ile desteklenmiştir.

References

1. Alnak D.E., Koca F., Alnak Y.A. 2021. Numerical investigation of heat transfer from heated surfaces of different shape, Journal of Engineering Thermophysics, 30, 494-507. doi.org/10.1134/S1810232821030127
2. Hadipour A, Zargarabadi MR. 2018. Heat transfer and flow characteristics of ımpinging jet on a concave surface at small nozzle to surface distances, Applied Thermal Engineering, 138, 534-541. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.086
3. Incropera F.P., Dewit D.P., Bergman T.L., Lavine A.S. 2007. Fundamentals of heat and mass transfer (Sixth Edition), John Wiley&Sons, Indiana, 447-487.
4. Karabulut K., Alnak D.E. 2020. Değişik şekilde tasarlanan ısıtılmış yüzeylerin hava jeti çarpmalı soğutulmasının araştırılması, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26(1): 88-98. doi: 10.5505/pajes.2019.58812
5. Karabulut, K., Alnak, D.E., 2021. Dikdörtgen Bir Kanaldaki Farklı Desenli Yüzey Geometrilerinin Isı Transferine Olan Etkilerinin İncelenmesi, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 183, 37-49.
6. Karabulut K, Alnak D.E. 2021. Investigation of the Variation of Cooling Performance with the Channel Height in A Channel Having Impinging Jet-Cross Flow, In: Karabulut K, Orhan Ö (Eds.). ISPEC 12th International Conference on Engineering & Natural Sciences, Bingöl/Turkey, 24-25 December 2021, ss. 273-290.
7. Kılıç M. 2018. Elektronik sistemlerin soğutulmasında nanoakışkanlar ve çarpan jetlerin müşterek etkisinin incelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33(3), 121-132. doi.org/10.21605/cukurovaummfd.500597
8. Ma C.F., Bergles A.E. 1983. Boiling jet impingement cooling of simulated microelectronic chips, Heat Transfer In Electronic Equipment HTD, 28, 5-12.

9. Mergen S. 2014. Kanal İçi Akış ve Çarpan Jet ile Birlikte Elektronik Eleman Soğutulmasının Sayısal Olarak İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
10. Saleha N., Fadela N., Abbes A. 2015. Improving cooling effectiveness by use chamfers on the top of electronic components, Microelectronics Reliability, 55, 1067-1076. doi.org/10.1016/j.microrel.2015.04.006
11. Öztürk S.M., Demircan T. 2022. Numerical analysis of the effects of fin angle on flow and heat transfer characteristics for cooling an electronic component with impinging jet and cross-flow combination, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 37(1), 57-74. doi.org/10.17341/gazimmfd.799793
12. Teamah M.A., Dawood M.M., Shehata A. 2015. Numerical and experimental investigation of flow structure and behavior of nanofluids flow impingement on horizontal flat plate. Experimental Thermal and Fluid Science, 74, 235-246. doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2015.12.012
13. Wang S.J., Mujumdar A.S. 2005. A comparative study of five low Reynolds number k-ε models for impingement heat transfer. Applied Thermal Engineering, 25, 31-44. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.06.001