Duvarlarından birisinde ısıtıcı bloklar bulunan kanallarda akış ve ısı transferinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

Abstract

DUVARLARINDAN BİRİSİNDE ISITICI BLOKLAR BULUNAN KANALLARDA AKIŞ VE ISI TRANSFERİNİN DENEYSEL VE SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ (Doktora Tezi) İbrahim ÇAKMANUS GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Eylül 2000 ÖZET Son yıllarda, bilgisayar kapasitelerinin artmasına paralel olarak, daha küçük hacimlere daha çok chip yerleştirilmesi, elektronik eleman sıcaklıklarının istenilen limitler içinde tutulması için açığa çıkan ısının ortamdan uzaklaştırılması gerekliliği, elektronik sistemlerin soğutulması konusunun önem kazanmasına neden olmuştur. Konu ile ilgili olarak, bugüne kadar bir çok deneysel ve sayısal çalışma yapılmış ve yapılmaya devam edilmektedir. Elektronik cihazların soğutulması çabalarına katkı amacıyla; bu çalışmada, elektronik elemanları temsil eden, ısı yayan bloklara sahip kanallarda akışkan akışı ve ısı transferi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada, girişten yeteri kadar uzağa yerleştirilen akış yönünde altı ve her sırada, akışa dik yatay doğrultudaki üç bloktan, kanaldaakmakla olan havaya ısı transferi ve bloklardaki sıcaklık dağılımı incelenmiştir. Kanalda akmakta olan havanın debisi, blok sıcaklıkları ve bloklara verilen elektrik enerjisi ölçülmüştür. Ölçülen veriler kullanılarak, Reynolds sayısının ve bloklardan yayılan ısının blok sıcaklıklarına ve Nusselt sayısına etkileri incelenmiştir. Sayısal analizde, duvarlarından birisinde ısıtıcı bloklar bulunan kanal içindeki akış ve ısı transferi göz önüne alınmıştır. İncelemede, akışın iki boyutlu, kararlı ve laminer şartlarda olduğu kabul edilmiş, problemi formüle etmek için, eşlenik (conjugate) yaklaşım kullanılmıştır. Problemin diferansiyel denklemleri boyutsuz forma dönüştürülmüş ve bu denklemleri çözmek için, kontrol hacmi metodu kullanılarak diferansiyel denklemler cebirsel hale dönüştürülmüş, Yücel ve Türkoğlu (1995) tarafından geliştirilen bir bilgisayar programı bu çalışma için geliştirilerek kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlardan, elektronik elemanların emniyetli işletme sıcaklığının aşılmaması için gerekli tasarım şartlan belirlenmiştir. Genel olarak bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: - İlk modülde sıcaklık minimum, Nusselt sayısı maksimum değerlerdedir. İkinci modülden sonra sıcaklık artmakta, Nusselt sayısı azalmakta ve Reynolds sayısına bağlı olarak bir kaç modül sonra tam gelişmiş peryodik şartlara ulaşmaktadır. - Akışkan, kanalın üst kısmında düz akım çizgileri boyunca hareket ederken, alt bölümlerde, bloklar arasında, sirkülasyon hareketi yapmaktadır.HI Akışın Reynolds sayısı arttıkça, bütün bloklarda sıcaklık azalmakta, Nusselt sayısı artmaktadır. Kanalda akan akışkanın bulk sıcaklığı çok az değişmektedir. Hava sıcaklığı kanalın üst kısmında hemen hemen değişmezken, blokların çevresinde yüksek sıcaklık gradyanı oluşmaktadır. Zemin levhası iletkenliği arttıkça, bütün şartlarda blok sıcaklığı azalmakta, modül Nusselt sayısı artmaktadır. İlk modülde, önemli ölçüde basınç kaybı oluşmaktadır. İkinci ve daha sonraki modüllerde, basınç kaybı azalmakta veya yaklaşık olarak sabit kalmaktadır. Bilim Kodu Anahtar Kelimeler Sayfa Adedi Tez Yöneticisi : 625.05.04 : Elektronik soğutma, laminer akış, sayısal çözüm. :286 : Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU ?&£ YÜKSEKÖGRLTİM; KOkülA,

IV THE EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF FLUID FLOW AND HEAT TRANSFER IN CHANNELS WITH HEATED BLOCKS ON ONE OF THE WALLS (Ph. D. Thesis) İbrahim ÇAKMANUS GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY September 2000 ABSTRACT Recently, with increasing capacity of computers, more chips have been placed in smaller volumes. To keep the temperatures of electronic elements below their safety limits, heat generated by the elements must be removed from the system. As a result of this, cooling of electronic equipment has become an important issue. In many studies, cooling of electronic equipment has been studied numerically and experimentally. In this study, fluid flow and heat transfer in channels with heat generating blocks were studied experimentally and numerically. In the experimental study, in flow direction six and in direction normal to the flow three heat generating blocks (total eighteen blocks) were placed on the bottom wall of a channel. To investigate the effect of flow Reynolds number and heat generated in the blocks on the blocktemperatures and Nusselt number, under different conditions block temperature, rate of the flow in the channel and power supplied to the blocks were measured. In the numerical analysis, a two dimensional channel with heat generating blocks on the bottom wall was considered. The flow in the channel was assumed to be steady and laminar flow conditions. The problem was formulated using conjugate approach. The differential equations of the problem were nondimensionalized. To solve the nondimensional equations of the problem, the equations were discritized using the control volume method. To numerically analized the problem under consideration, the computer program developed by Yücel and Türkoglu (1995) was modified and improwed. From the results obtained, design conditions have been determined in order not to exceed the safe operating temperature for the electronic equipment. Conclusions obtained in the study may be suuarized as follows: - In the first module temperature is minimum and the Nusselt number is maximum. Starting with the second module temperature increases and Nusselt number decreases in streamwise direction. The flow reaches fully developed periodic conditions after few blocks depending on the Reynolds number. - While fluid moves along the straight stream lines in the upper part of the channel, it recirculates in the cavities between the blocks in the lower part of the channel.VI As the Reynolds number of the flow increases, temperature decreases and Nusselt number increases for all blocks. The bulk temperature of the fluid flowing in the channel vary only slightly. While air temperature does not vary at the upper part of the channel, high temperature gradients are formed in the surrounding of the blocks. As the substrate conductivity increases, block temperature decreases and Nusselt number increases in all conditions. In the first module, significant loss of the pressure is observed. In the second and subsequent modules the loss of pressure decreases and remains nearly constant. Science Code Key Words Number of page Adviser : 625.05.04 : Electronic cooling, laminar flow, numerical solution. :286 : Prof. Dr. Haşmet TÜRKO?LU TEC YÜKSEKÖÖRKTIM KURULU