Elektronik cihazların soğutulmasının bilgisayar destekli analizi

Abstract

Açığa çıkan ısı miktarının yüksek olduğu elektronik cihazların soğutulmasında klasik yöntemler yetersiz kalabilmektedir. Bu durumda çarpan hava jeti ve sıvı soğutmalı sistemler ön plana çıkmaktadır. Fakat sıvı soğutmalı sistemlerin uygulamasında ortaya çıkan bazı sakıncalar nedeniyle çarpan hava jetleri ile soğutma cazip hale gelmektedir. Bu çalışmada öncelikle elektronik sistemlerin soğutulması hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Ardından, elektronik bir kartı temsil eden bir levhanın yüzeye dik olarak çarpan hava jeti ile soğutulması durumunda, akış ve ısı transferi karakteristikleri hesaplamalı olarak analiz edilmiştir. Sabit ısı akışıyla ısıtılan levhanın, tekli ve çoklu jet kullanılarak soğutulması durumları ayrı ayrı ele alınmıştır. Akışın, türbülanslı, iki boyutlu, sıkıştırılamaz ve sürekli rejimde olduğu kabul edilmiştir. Analizde standart k-s türbülans modeli kullanılmış olup korunum denklemleri Galerkin Sonlu Elemanlar Metodu ile ANS YS-FLOTRAN paket programı kullanılarak çözülmüştür. Hesaplamalar 4<z/Dh<10 ve 4000<Re< 12000 aralığında yapılmıştır. Havanın termofıziksel özelliklerinin sıcaklıkla değişimi ve kaldırma kuvveti etkileri de gözönüne alınmıştır. Analizler sonucunda artan Reynolds sayısı ve azalan z/Dh değerleriyle birlikte ısı transferinde kayda değer bir artış meydana geldiği görülmüştür. Tekli jet yerine aynı özelliklere sahip çoklu jet kullanılması durumunda ortalama Nusselt sayısında dolayısıyla ortalama ısı taşınım katsayısında yaklaşık %21 oranında artış meydana gelmiştir. Ayrıca türbülans şiddetindeki artışın çarpma noktasında ısı transferini arttırdığı gözlenmiştir. Elde edilen nümerik sonuçlar literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırıldığında iyi bir uyumun sağlandığı tespit edilmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Elektronik Cihazların Soğutulması, Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği (HAD), Çarpan Hava Jetleri, Sonlu Elemanlar Metodu.

Classical cooling methods can be insufficient in electronic equipments dissipating great deal of heat. In such cases, cooling with liquids and impinging air jets become important. But the problems occurred during the application of water cooling system make impinging air jets preferable. In this study, detailed information about cooling electronic systems was given first and then flow and heat transfer characteristics of plate representing an electronic card were analyzed computationally. It is assumed that the flow is turbulent, two- dimensional, incompressible and steady. Standard k-s turbulence model is used in the analyses and conservation equations are solved by using Galerkin Finite Element code ANSYS-FLOTRAN. Computations are performed in the ranges of 4<z/Dh<10 and 4000<Re<12000. The variation of thermo physical properties of air with temperature and buoyancy effects is considered. In the result of analysis, it is observed that an increase in heat transfer rate together with increasing Reynolds number and decreasing z/Dh ratio. In the case of double jets instead of single one, Nusselt number is increased approximately 21%. In addition, the increase in turbulence intensity makes heat transfer higher at impinging point. Finally, obtained results are compared and evaluated with experimental studies in literature. KEYWORDS: Cooling of Electronic Equipments, Computational Fluid Dynamics (CFD), Impinging Air Jets, Finite Elements Methods.