Elektronik bir elemanın çarpan jet ve çapraz akış kombinasyonu ile soğutulmasında, kanatçık açısının akış ve ısı transferi karakteristikleri üzerindeki etkilerinin sayısal olarak incelenmesi

Öz

Bu çalışmada, sabit ısı akısına sahip elektronik bir elemanın çarpan jet ve çapraz akış kombinasyonu ile soğutulması sayısal olarak incelenmiştir. Problem geometrisi içerisine yerleştirilmiş akış yönlendirici kanatçığın açısının değişiminin, akış yapısı ve ısı transferi üzerindeki etkileri üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu amaçla, farklı Vj/Vk (jet giriş hızının kanal giriş hızına oranı) oranları ve farklı kanatçık açıları için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımı ile sayısal analizler yapılmıştır. Bu kapsamda, H/D (jet ile çarpma yüzeyi arasındaki mesafenin jet çapına oranı) oranı 3 olarak sabit alınmış, Vj/Vk oranın değeri 0, 1, 2 ve 3 ve kanatçık açısının (α) değeri ise 0o, 22,5°, 45°, 67,5° ve 90° olacak şekilde değiştirilerek simülasyonlar tekrarlanmıştır. Kanatçık açısının etkilerinin daha iyi görülebilmesi için elde edilen sonuçlar, kanatçıksız (α=0) durum ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, diğer parametreler sabit iken kanatçık açısının (α) veya Vj/Vk oranın artması ile elektronik elemanın yüzeylerinde gerçekleşen ısı transferinin genel olarak arttığı görülmüştür. Elektronik elemanın yüzeylerinden gerçekleşen maksimum ısı transferine Vj/Vk=3 ve α=90o’de ulaşılmıştır. Yüksek kanatçık açısı ve Vj/Vk oranında diğer kanatçık açılarına kıyasla daha yüksek ısı transferi gerçekleşebileceği gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Çapraz akış
• Jet akış
• Kanatçık açısı

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

Öz

In this study, cooling by using impinging jet and cross-flow combination (IJCF) for an electronic component with constant heat flux is investigated. The effects of change of flow-guiding fin angle positioned inside the problem geometry on flow structure and heat transfer is considered. For this purpose, numerical analysis is conducted for different Vj/Vk (jet inlet velocity to channel inlet velocity ratio) and different fin angle is conducted with Computational Fluid Dynamics (CFD). Within this context, H/D (the ratio between the jet and impinging surface distance and jet diameter) ratio is taken constant as 3, Vj/Vk ratio values are changed as 0, 1, 2 and 3 and fin angle value (α) is changed 0o, 22.5°, 45°, 67.5° and 90° and simulations are repeated. To better see the effects of the fin angle, the obtained results are compared with the non-fin state. When the obtained results are analysed, with increasing fin angle (α) or Vj/Vk ratio when other parameters are constant, it is seen that heat transfer on the electronic component surfaces generally increased. The maximum heat transfer on the electronic component surface is reached for Vj/Vk=3 and α=90o’. It is observed that higher heat transfer can occur for higher fin angle and Vj/Vk ratio compared to other fin angles.

Anahtar Kelimeler

• Cross-flow
• Impinging jet
• Fin angle
• Electronic cooling

Kaynakça

1. 1. Hadipour A., Zargarabadi M. R., Heat transfer and flow characteristics of impinging jet on a concave surface at small nozzle to surface distances, Applied Thermal Engineering 138, 534-541, 2018.
2. 2. Wongchareea K., Chuwattanakul V., Eiamsa-ard S., Influence of CuO/water nanofluid concentration and swirling flow on jet impingement cooling, International Communications in Heat and Mass Transfer 88, 277-283, 2017.
3. 3. Çalışır T., Çarpan Akışkan Jetleri Kullanarak Kanatçıklı Yüzeyler Üzerindeki Isı Transferinin Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2011.
4. 4. Baydar E., Confined impinging air jet at low Reynolds numbers, Experimental Thermal and Fluid Science 19, 27-33, 1999.
5. 5. Köseoğlu M.F., Çarpan Akışkan Jetleri Kullanılarak Elektronik Elemanların Soğutulmasının Deneysel Ve Sayısal Olarak İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2007.
6. 6. Choo K., Kang T.Y., Kim S.J., The effect of inclination on impinging jets at small nozzle-to-plate spacing, International Journal of Heat and Mass Transfer 55, 3327-3334, 2012.
7. 7. Çelik N., Optimum Lüle Şeklinin Çarpan Jet Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 2006.
8. 8. Bölek A., Farklı Düzlemler Üzerine Çarpan Jetlerin Akış Ve Isı Transfer Analizleri, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2007.

9. 9. San J.Y., Chen J.J., Effects of jet-to-jet spacing and jet height on heat transfer characteristics of an impinging jet array, International Journal of Heat and Mass Transfer 71, 8-17, 2014.
10. 10. Sun B., Qu Y., Yang D., Heat transfer of Single Impinging Jet with Cu Nanofluids, Applied Thermal Engineering 102, 701-707, 2016.
11. 11. Lv J., Hu C., Bai M., Zeng K., Chang S., Gao D., Experimental investigation of free single jet impingement using SiO2-water nanofluid, Experimental Thermal and Fluid Science 84, 39-46, 2017.
12. 12. Yu P., Zhu K., Shi Q., Yuan N., Ding J., Transient heat transfer characteristics of small jet impingement on high-temperature flat plate, International Journal of Heat and Mass Transfer 114, 981-991, 2017.
13. 13. Barewar S.D., Tawri S., Chougule S.S., Heat transfer characteristics of free nanofluid impinging jet on flat surface with different jet to plate distance: An experimental investigation, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 136, 1-10, 2019.
14. 14. Zhu K., Yu P., Yuan N., Ding J., Transient heat transfer characteristics of array-jet impingement on high-temperature flat plate at low jet-to-plate distances, International Journal of Heat and Mass Transfer 127, 413-425, 2018.
15. 15. Kılıç M., Elektronik Sistemlerin Soğutulmasında Nano Akışkanlar Ve Çarpan Jetlerin Müşterek Etkisinin İncelenmesi, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33(3), 121-132, 2018.
16. 16. Kılıç M., Özcan, O., Farklı Parametreler İçin Nano Akışkanlar Ve Çarpan Jetlerin Müşterek Etkisinin Sayısal İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(3), 1501-1515, 2019.
17. 17. Ingole S.B., Sundaram K.K., Experimental average Nusselt number characteristics with inclined non-confined jet impingement of air for cooling application, Experimental Thermal and Fluid Science 77, 124-131, 2016.
18. 18. Larraona G.S., Rivas A., Antón R., Ramos J.C., Pastor I., Moshfegh B., Computational parametric study of an impinging jet in a cross-flow configuration for electronics cooling applications, Applied Thermal Engineering 52, 428-438, 2013.
19. 19. Demircan T., Numerical analysis of cooling an electronic circuit component with cross flow and jet combination, Journal of Mechanics, 35 (3), 395-404, 2019.
20. 20. Mergen S., Kanal İçi Akış Ve Çarpan Jet İle Birlikte Elektronik Eleman Soğutulmasının Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2014.
21. 21. Saleha N., Fadela N., Abbes A., Improving cooling effectiveness by use chamfers on the top of electronic components, Microelectronics Reliability 55, 1067-1076, 2015.
22. 22. Örs E., Kanal İçi Akış Ve Çarpan Jet Kullanımı İle Elektronik Elemanların Soğutulmasının Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2017.
23. 23. Maghrabie H.M., Attalla M., Fawaz H.E., Khalil M., Numerical investigation of heat transfer and pressure drop of in-line array of heated obstacles cooled by jet impingement in cross-flow, Alexandria Engineering Journal 56, 285-296, 2017.
24. 24. Incropera F.P., Dewit D.P., Bergman T.L., Lavine A.S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Sixth Edition), John Wiley&Sons, Indiana, 447-487, 2007.
25. 25. Masip Y., Rivas A., Larraona G.S., Anton R., Ramos J.C., Moshfegh B., Experimental study of the turbulent flow around a single wall-mounted cube exposed to a cross-flow and an impinging jet, International Journal of Heat and Fluid Flow 38, 50-71, 2012.
26. 26. Konecni S., Flow Measurements and Heat Transfer Studies of impinging Jets on Simulated Electronic Packages, Master Thesis, Texas University, Arlington, 1990.
27. 27. Ma C.F., Bergles A.E., Boiling Jet Impingement Cooling of Simulated Microelectronic Chips, Heat Transfer in Electronic Equipment HTD 28, 5-12, 198