Kanallardaki Farklı Yüzeyli Modellerin Üçlü Jet Etkisi ile Soğutulmalarının ve Akış Karakteristiğinin Analizi

Abstract

Çarpan jet tekniği, elektronik sistemlerde fazla ısı üreten cihazların soğutulmasında kullanılan yüksek ısı transferi performanslı gelişmiş bir soğutma teknolojisidir. Bu çalışmada, 0,75Dh jet giriş genişlikli kanallardaki düz basamak ve üçgen basamak modelli bakır plakalı yüzeylerin üç adet hava jeti akışı ile soğutulması sayısal olarak araştırılmıştır. Araştırmalar, zamandan bağımsız ve üç boyutlu olarak enerji ve Navier-Stokes denklemlerinin k-ε türbülans modelli Ansys-Fluent bilgisayar programı kullanılarak çözülmesiyle gerçekleştirilmiştir. Kanalların üst ve alt yüzeyleri adyabatik olup; yalnızca model yüzeyleri sabit ısı akısına sahiptir. Çalışma için belirlenen Re sayısı aralığı 4000-10000 iken; jet-plaka arası uzaklık (H/Dh) 3 ve 6 dır. Çalışmanın sonuçları literatürde bulunan çalışmanın sayısal ve deneysel sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve birbirleriyle uyumlu oldukları belirlenmiştir. Sonuçlar, her bir model yüzeyi için ortalama Nu sayısı ve yüzey sıcaklığının değişimi olarak sunulmuştur. Ayrıca, kanaldaki tüm model yüzeyleri için ortalama Nu sayısı (Nuo) ve jet akışların kanaldan çıkış sıcaklıkları (Tç) incelenmiştir. Farklı Re sayıları ve H/Dh oranlarında kanal boyunca jet akışın hız-akım ve sıcaklık konturu dağılımları model yüzeyleri için değerlendirilmiştir. Re=10000 ve H/Dh=6 için düz basamak modelli yüzeylerin Nuo sayılarının, üçgen basamak modelli yüzeylerden %45,43 daha fazla olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• Üçlü hava jeti
• Model yüzeyi
• Soğutma

Analysis of Cooling and Flow Characteristics of Models with Different Surfaces in Channels by Triple Jet Effect

Abstract

The impinging jet technique is an advanced cooling technology with high heat transfer performance used in the cooling of devices that produce excess heat in electronic systems. In this study, the cooling of flat step and triangular step model copper plate surfaces in ducts with jet inlet width of 0.75Dh with three air jet flows was investigated numerically. The studies were conducted using the numerical time-independent and three-dimensional k-ε turbulence model with the Ansys-Fluent computer program. The channel facets are adiabatic and only the model facets have a constant heat flux. While the Re number range determined for the study is 4000-10000; the distance between the jet and the plate (H/Dh) is 3 and 6. The outcomes of the work were matched with the scalar and empiric outcomes of the work in the litterateur, and it was achieved that they are comparable. The outcomes are performed as the mean Nu number and diversity of facet temperature for each model facet. In addition, the mean Nu number (Nuo) and exit temperatures (Tc) of the jet flows were investigated for all model surfaces in the channel. Velocity-flow and temperature contour dispersions of the jet flow throughout the duct were commented for the model facets with distinct Re numbers and H/Dh ratios. For Re=10000 and H/Dh=6, it was determined that the Nuo numbers of the surfaces with the flat step model were 45.43% higher than the surfaces with the triangular step model.

Keywords

• Triple air jet
• Model surface
• Cooling

References

1. Arguis E, Rady MA, Nada SA. 2007. A numerical investigation and parametric study of cooling an array of multiple protruding heat sources by a laminar slot air jet, International Journal of Heat and Mass Transfer, 28, 787-805. doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2006.09.004
2. Barbosa FV, Teixeira SFCF, Teixeira JCF. 2023. Convection from multiple air jet impingement- a review, Applied Thermal Engineering, 218, 119307. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119307
3. Babic D, Murray DB, Torrance AA. 2005. Mist jet cooling of grinding processes, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45, 1171-1177. doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2004.12.004
4. Belarbi AA, Beriache M, Bettahar A. 2018. Experimental study of aero-thermal heat sink performances subjected to impinging air flow, International Journal of Heat and Technology, 36 (4), 1310-1317. doi.org/10.18280/ijht.360420
5. Karabulut K, Alnak Y. 2023. Üçlü jet akışlı kanallardaki değişik yüzeyli modellerin soğuma performanslarının araştırılması, Tesisat Mühendisliği, 194, 15-27. Erişim uzantısı: https://www.mmo.org.tr/sites/default/files/yayin_dosyalar/Tesisat-194-tum-22022023.pdf
6. Karabulut K, Alnak DE. 2021. Dikdörtgen bir kanaldaki farklı desenli yüzey geometrilerinin ısı transferine olan etkilerinin incelenmesi, Tesisat Mühendisliği, 183, 37-49. Erişim uzantısı: https://www.mmo.org.tr/sites/default/files/yayin_dosyalar/Tesisat-183.pdf
7. Karabulut K, Alnak DE. 2020. Değişik şekilde tasarlanan ısıtılmış yüzeylerin hava jeti çarpmalı soğutulmasının araştırılması, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26 (1), 88-98. doi.org/10.5505/pajes.2019.58812
8. Karabulut K. 2019. Heat transfer improvement study of electronic component surfaces using air jet impingement, Journal of Computational Electronics, 18, 1259-1271. doi.org/10.1007/s10825-019-01387-3

9. Kercher DS, Lee JB, Brand O, Allen MG, Glezer A. 2003. Microjet cooling devices for thermal management of electronic, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 26 (2), 359-366. doi.org/10.1109/TCAPT.2003.815116
10. Koca F., Güder T.B. 2022 Numerical investigation of CPU cooling with micro-pin-fin heat sink in different shapes, European Physical Journal Plus, 137 (11), 1276. doi.org/10.1140/epjp/s13360-022-03489-7
11. Kılıç M, Çalışır T, Başkaya Ş. 2017. Experimental and numerical study of heat transfer from a heated flat plate in a rectangular channel with an impinging air jet, Journal of Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 39 (1), 329-344. doi.org/10.1007/s40430-016-0521-y
12. Madhwesh N, Shantanu P, Vasudeva K. 2023. Computational flow and heat transfer study on impingement cooling in a turbine blade leading edge using an innovative convergent nozzles. Journal of Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 45, 86. doi.org/10.1007/s40430-023-04020-4
13. Mushatat KS. 2007. Analysis of the turbulent flow and heat transfer of the impingement cooling in a channel with cross flow, Engineering Science, 18 (2), 101-122.
14. Narumanchi SVJ, Amon CH, Murthy JY. 2003. Influence of pulsating submerged liquid jets on chip-level thermal phenomena, Journal of Electronic Packaging, 125 (3), 354-361. doi.org/10.1115/1.1572903
15. Radmard V, Hadad Y, Rangarajan S, Hoang CH, Fallahtafti N, Arvin CL, Sikka K, Schiffres SN, Sammakia BG. 2021. Multi-objective optimization of a chip-attached micro pin fin liquid cooling system, Applied Thermal Engineering, 195, 117187. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117187
16. Rathore SS, Verma SK. 2022. Numerical investigation on the efficacy of jet obliquity for fluid flow and thermal characteristics of turbulent offset jet, Heat and Mass Transfer, 58, 1223-1246. doi.org/10.1007/s00231-021-03156-0
17. Wang SJ, Mujumdar AS. 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
18. Yalçınkaya O, Durmaz U, Tepe AÜ, Uysal Ü, Özel MB. 2022. Effect of slot-shaped pins on heat transfer performance in the extended jet impingement cooling. International Journal of Thermal Sciences, 179: 107698. doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107698
19. Zou L, Ning L, Wang X, Li Z, He L, Ll H. 2022. Evaluation of interfacial heat transfer coefficient based on the experiment and numerical simulation in the air‑cooling process, Heat and Mass Transfer, 58, 337-354.doi.org/10.1007/s00231-021-03113-x