Kanal içi akış ve çarpan jet ile birlikte elektronik eleman soğutulmasının sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Gün geçtikçe mikro işlemcilerin hızları ve yetenekleri artmaktadır. Bu artışla birlikte elektronik elemanların ısıl kontrolü kritik bir konu haline gelmiştir. Günümüzde elektronik elemanların ısıl kontrolünde değişik yöntemler kullanılmaktadır. Bu çalışmada bu yöntemlerden kanal içi akış ve çarpan jet ile elektronik eleman soğutulması sayısal olarak analiz edilmiştir. ANSYS FLUENT (v15.0) CFD yazılımı ile akış ve sıcaklık alanları simüle edilerek, eleman yüzey sıcaklığı, Nusselt sayısı ve basınç kaybı belirlenmiştir. Türbülans modeli olarak, İyileştirilmiş duvar fonksiyonlu, Realizable k- modeli kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, literatürdeki sonuçlar ile [2, 3, 21] karşılaştırılarak doğrulanmıştır. İncelenen soğutma yönteminin etkinliğini analiz edebilmek için, farklı kanal ve jet Reynolds sayıları ve farklı H/D (Jet-eleman arası mesafenin jet çapına oranı) oranları için sayısal çözümler yapılmıştır. Analizler kanal Reynolds sayısının 2000, 5000 ve 8000; jet Reynolds sayısının 10000, 17500 ve 25000; H/D'nin 1,5, 1,75 ve 2 değerleri için gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, artan jet Reynolds sayısının toplam ısı transferine pozitif etki ettiğini göstermiştir. Bununla birlikte jet Reynolds sayısının kanal akışı Reynolds sayısına oranı azaldıkça (kanal akışı Reynolds sayısı arttıkça), jet çarpma noktası eleman merkezinden akış yönünde kaymaktadır. Bunun sonucu olarak eleman yüzeyine yakın bir bölgede akış döngüsü oluşmakta ve eleman yüzey sıcaklığı artmaktadır. Bu da ısı transferini olumsuz yönde etkilemektedir.

The speed and capabilities of microprocessors have been increasing day by day. With this increase, the thermal management of the electronic components has become a major issue for designers. Recently, different techniques have been used for cooling of electronic components. In this study, cooling of an electronic component by the combination of an impinging jet and channel flow was numerically studied. The flow and temperature fields were simulated using ANSYS FLUENT (v15.0) CFD code. The surface temperature of the electronic component, Nusselt number at the surface of the component and the pressure loss in the channel were analyzed. Turbulence was modeled by Realizable k-turbulence model. To validate the simulations, the results were compared with the data from the literature [2, 3, and 21]. Effects of the channel flow Reynolds number, jet Reynolds number and H/D ratio (Jet-impingement surface to jet diameter ratio) on surface Nusselt number, surface temperature and pressure loss were investigated. Simulations were performed for the channel Reynolds numbers of 2000, 5000, and 8000; jet Reynolds numbers of 10000, 17500 and 25000, and H/D values of 1,5, 1,75, 2. It has been observed that when the ratio of the jet Reynolds number to the channel flow Reynolds number decrease, the jet impingement point moves in the direction of channel flow and a recirculating flow region next to the electronic component forms. As a result of these, Nusselt number decreases and the surface temperature increases.