Study of cooling of the varied designed warmed surfaces with an air jet impingement

Abstract

Nowadays, impinging jets are of great importance in cooling of electronic constituents which have decreasing heat transfer area with miniaturization and hence have extremely high heat fluxes. In this study, improvement of the cooling of microchips that are also used in computers and have a quite high amount of heat generation has been researched. For this aim, cooling of copper plate surfaces having 1000 W/m2 constant heat flux and two different patterns that are rampart and rectangular shapes by using a single air jet flow in channels whose cross-section is rectangle and having three sides closed and one side open has been investigated. Numerical investigation has been performed steady and 3D energy and Navier-Stokes equations by implementing computer program of Ansys-Fluent with k-ε turbulance model. While the upper and lower surfaces of the channel whose cross-section is rectangle are adiabatic, constant heat flux has been applied to the surfaces of rampart and rectangle. The used jet fluid is air and the temperature of inlet air is 300 K. The range of Re for the study is 4000-10000 when the evaluated interval between the jet-plate (H/Dh) is 4-10. The acquired results have been matched with the numerical and experimental conclusions of the study in the literature and they have been found to be compatible with each other. The results have been presented as the average Nu number and the surface temperature variation for each patterned surface with the rampart and rectangle shape. The temperature, velocity and streamline contour distributions of the jet flow along the channel for different H/Dh ratios and Re numbers have been evaluated for ramparts and rectangular pattern surfaces. In the work, the values of the mean Nu number, surface temperature and outlet jet flow temperature from the channel have been also analyzed for all surfaces in both patterned geometries. A higher average Nu number value of 31.45% has been obtained for rectangle patterned surfaces according to rampart patterned surfaces for Re=4000 and H/Dh=4.

Keywords

• Impingement air jet,Patterned surface,Heat transfer

Değişik şekilde tasarlanan ısıtılmış yüzeylerin hava jeti çarpmalı soğutulmasının araştırılması

Öz

Çarpan jetler, günümüzde minyatürleşme ile ısı transfer alanının azaldığı ve dolayısıyla son derece yüksek ısı akılarına sahip elektronik bileşenlerin soğutulmasında büyük bir öneme sahiptir. Bu çalışmada ise bilgisayarlarda da kullanılan ve ısı üretim miktarı oldukça fazla olan mikroçiplerin soğutulmasının iyileştirilmesi incelenmiştir. Bu amaçla, üç tarafı kapalı ve bir tarafı açık kesiti dikdörtgen olan kanallar içerisindeki sur ve dikdörtgen şeklinde olmak üzere iki farklı desene sahip 1000 W/m2 sabit ısı akılı bakır plakalı yüzeylerin tek bir hava jeti akışı ile soğutulmasının sayısal araştırması yapılmıştır. Sayısal araştırma, zamandan bağımsız ve üç boyutlu olarak enerji ve Navier Stokes denklemlerinin k-ε türbülans modelli Ansys-Fluent bilgisayar programının uygulanmasıyla gerçekleştirilmiştir. Kesiti dikdörtgen olan kanalın üst ve alt yüzeyleri adyabatik iken sur ve dikdörtgen desenli yüzeylere sabit ısı akısı uygulanmıştır. Kullanılan jet akışkanı hava olup, kanala giriş sıcaklığı 300 K’dir. Çalışma için belirlenen Re sayısı aralığı 4000-10000 iken jet-plaka arası uzaklık (H/Dh) için değerlendirilen aralık ise 4-10’dur. Elde edilen sonuçlar, literatürde bulunan çalışmanın sayısal ve deneysel sonuçlarıyla karşılaştırılmış olup, birbirleriyle uyum içerisinde oldukları görülmüştür. Sonuçlar, sur ve dikdörtgen şeklindeki her bir desenli yüzey için ortalama Nu sayısı ve yüzey sıcaklığının değişimi olarak sunulmuştur. Farklı H/Dh oranları ve Re sayıları için kanal boyunca jet akışın sıcaklık, hız ve akım çizgisi konturu dağılımları sur ve dikdörtgen desenli yüzeyler için değerlendirilmiştir. Ayrıca, çalışmada her iki desenli geometride tüm yüzeyler için ortalama Nu sayısı, yüzey sıcaklığı ve jet akışın kanaldan çıkış sıcaklık değerleri analiz edilmiştir. Re=4000 ve H/Dh=4 için sur desenli yüzeylere göre dikdörtgen desenli yüzeylerde %31.45 daha yüksek ortalama Nu sayısı değeri elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Çarpan hava jeti,Desenli yüzey,Isı transferi

Kaynakça

1. Babic D, Murray DB, Torrance AA. “Mist jet cooling of grinding processes”. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45, 1171-1177, 2005.
2. Royne A, Dey C. “Experimental study of a jet impingement device for cooling of photovoltaic cells under high concentration”. ANZSEZ Solar 2004: Life, the Universe and Renewables Congress, Perth, Australia, 30 November- 3 December 2004.
3. Narumanchi SVJ, Amon CH, Murthy JY. “Influence of pulsating submerged liquid jets on chip-level thermal phenomena”. Transactions of the ASME, 125(3), 354-361, 2003.
4. Kercher DS, Lee JB, Brand O, Allen MG, Glezer A. “Microjet cooling devices for thermal management of electronics”. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 26(2), 359-366, 2003.
5. Carlomagno GM, Ianiro A. “Thermo-fluid-dynamics of submerged jets impinging at short nozzle-to-plate distance: a review”. Experimental Thermal and Fluid Science, 58, 15-35, 2014.
6. Argus E, Rady MA, Nada SA. “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, 2006.
7. Popovac M, Hanjalic K. “Large-eddy simulation of flow over a jet-impinged wall mounted cube in a cross stream”. International Journal of Heat and Fluid Flow, 28(6), 1360-1378, 2007.
8. Yang YT, Hwang CH. “Numerical simulations on the hydrodynamics of a turbulent slot jet on a semi-cylindrical convex surface”. Numerical Heat Transfer, 46, 995-1008, 2004.

9. Mushatat KS. “Analysis of the turbulent flow and heat transfer of the impingement cooling in a channel with cross flow”. Engineering Science, 18(2), 101-122, 2007.
10. Sezai I, Mohamad AA. “Three dimensional simulation of laminar rectangular impinging jets, flow structure, and heat transfer”. Journal of Heat Transfer, 121(1), 50-56, 1999.
11. Alnak DE, Karabulut K, Koca F. Geleceğin Dünyasında Bilimsel ve Mesleki Çalışmalar. Editörler: Çam E, Güçyetmez M, Demirbaş M, Lüy M, Barışçı N, Toprak Ö. Mühendislik ve Teknoloji; Desenli Yüzeylerde Hava Jeti akışı için Taşınım Isı Transferi ve Akış Özelliklerinin İncelenmesi, 191-217, Bursa, TÜRKİYE, Ekin Basım Yayın Dağıtım, 2018.
12. Karabulut K, Alnak DE, Koca F. “Analysis of cooling of the heated circle patterned surfaces by using an air jet ımpingement”. ICENS 4th International Conference on Engineering and Natural Science, Kiev, Ukraine, 2-6 May 2018.
13. Belarbi AA, Beriache M, Bettahar A. “Experimental study of aero-thermal heat sink performances subjected to ımpinging air flow”. International Journal of Heat and Technology, 36(4), 1310-1317, 2018.
14. Leena R, Syamkumar G, Prakash MJ. “Experimental and numerical analyses of multiple jets ımpingement cooling for high-power electronics”. IEEE Transactions on Components Packagıng and Manufacturıng Technology, 8(2), 210-215, 2018.
15. Wang SJ, Mujumdar AS. “A comparative study of five low Reynolds number k–ε models for impingement heat transfer”. Applied Thermal Engineering, 25, 31-44, 2005.
16. Wang SJ, Mujumdar AS. “A comparative study of five low Reynolds number k–ε models for impingement heat transfer”. Applied Thermal Engineering, 25, 31-44, 2005.
17. Kilic M, Calisir T, Baskaya S. “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, 2017.