Optimum design of parallel, horizontal and laminar forced convection air-cooled rectangular channels with insulated lateral surfaces

Abstract

Bu tezin amacı, paralel ısı yayan plakaların optimum dizilişinin nümerik olarak incelenmesidir. İzotermal plakalar, yalıtılmış yan yüzeylerle çevrili olan sabit hacimli bir elektronik sistem paketinde bulunmakta ve öngörülmüş basınç farkı kullanılarak havanın laminer zorlanmış taşınımı ile soğutulmaktadır. Sabit veya öngörülmüş basınç varsayımı, elektronik malzemelerdeki birkaç paralel plakanın fan gibi ortak bir kaynak tarafından soğutulduğu donanımlar için kabul edilebilir bir modeldir.Hazırlanan nümerik algoritmada, dikdörtgen kesitli bir kanaldaki sabit özellikli sıkıştırılamaz akış için zorlanmış taşınımı temsil eden denklemler çözülmüştür. Her bir dikdörtgen kesitli kanaldaki akış ve sıcaklık dağılımının nümerik sonuçları, plakalardan havaya olan ısı transferinin en yüksek seviyede elde edilmesi amacıyla plakaların optimum uzaklığının belirlenmesini sağlamıştır. Optimizasyon işleminin sonuçları verildikten sonra, en yüksek ısı transferi değerini ve paralel plakaların optimum uzaklığını veren bağıntılar, öngörülmüş basınç farkı, plaka uzunluğu, havanın yoğunluğu ve havanın kinematik viskozitesi cinsinden ayrı ayrı türetilmiştir.Sonuç olarak; bu tezde elde edilen bilgiler, literatürde bulunan sonsuz genişliğe sahip izotermal paralel plakalar hakkındaki iki boyutlu çalışmalar ile karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Buna ilaveten, sabit hacimde bulunan paralel plakaların optimizasyonuna ilişkin iki boyutlu sonuçlar, ilgili tezin sonunda daha genellenmiş bir üç boyutlu modele genişletilmiştir.Anahtar Kelimeler: Optimizasyon, Dikdörtgen Kanallar, Laminer Hava Akışı, Zorlanmış Taşınım, Elektronik Termal Paketleme

The objective of this thesis is to predict numerically the optimal spacing between parallel heat generating boards. The isothermal boards are stacked in a fixed volume of electronic package enclosed by insulated lateral walls, and they are cooled by laminar forced convection of air with prescribed pressure drop. Fixed pressure drop assumption is an acceptable model for installations in which several parallel boards in electronic equipment receive the coolant from the same source such as a fan.In the numerical algorithm, the equations that govern the process of forced convection for constant property incompressible flow through one rectangular channel are solved. Numerical results of the flow and temperature field in each rectangular channel yield the optimal board-to-board spacing by which maximum heat dissipation rate from the package to the air is achieved. After the results of the optimization procedure are given, the correlations for the determination of the maximum heat transfer rate from the package and optimal spacing between boards are, respectively, derived in terms of prescribed pressure difference, board length, and density and kinematic viscosity of air.In conclusion, the obtained correlations are compared and assessed with the available two-dimensional studies in literature for infinite parallel plates. Furthermore, existing two-dimensional results are extended to a more generalized three-dimensional case at the end of the thesis.Keywords: Optimization, Rectangular Channels, Laminar Air Flow, Forced Convection, Electronic Thermal Packaging