Numerical investigation of heat transfer enhancement and flow characteristics in twisted elliptical pin-fin heat sinks with different perforation levels
Farklı delik seviyelerine sahip bükülmüş eliptik pim kanatlı ısı alıcılarında ısı transferi gelişiminin ve akış karakteristiklerinin sayısal araştırması
- Tez No: 1017825
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KHALED M.N. CHAHROUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Mühendislik Bilimleri, Makine Mühendisliği, Energy, Engineering Sciences, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kompakt ve termal olarak verimli elektronik sistemlere olan artan ihtiyaca yanıt olarak, mevcut çalışma, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) kullanılarak çeşitli büküm açılarına ve delme seviyelerine sahip delikli ve deliksiz bükümlü pim kanatlı ısı emicilerin hidrotermal performansını araştırmaktadır. 0° ila 120° arasında dokuz büküm açısına ve katıdan üç deliğe kadar dört delme seviyesine sahip eliptik bir pimin 36 tasarımı dahil olmak üzere 148 simülasyon vakası yürütülmüştür ve 8547 ila 21367 arasında değişen bir Reynolds sayısı için dört giriş hızı altında test edilmiştir. Geleneksel bir silindirik pim kanatlı model, bir temel vaka olarak dahil edilmiştir. Sonuçlar, eliptik pim kanatçıklarının büküm açısı arttıkça ısı transfer hızının arttığını, Nusselt sayısının 21367 Reynolds sayısında temel durumla karşılaştırıldığında 120°'lik en yüksek büküm açısı için %57'ye kadar arttığını göstermektedir. Ancak, bu iyileştirme, basınç düşüşü de arttığından artan akış direnci pahasına geliyor ve T120 durumu için temel duruma göre %41'lik bir oran söz konusu. 60°'den daha düşük büküm açıları performans ve basınç düşüşü arasında iyi bir denge sağlamasına rağmen, T30 temel durumdan %27 daha düşük bir basınç düşüşü elde ederken, T0, T120 ile karşılaştırıldığında %40'a kadar daha düşük bir basınç düşüşüne sahipti. Alternatif büküm konfigürasyonunun (örneğin, T±30, T±60, T±90, T±120) kullanımı, düzgün büküm konfigürasyonlarıyla aynı termal performansa sahipti ancak %12'lik ek bir basınç düşüşüne neden oldu. Perforasyon, hidrotermal performansı artırmada önemli bir rol oynamıştır. 30'luk bir büküm açısında, EPF-T30-P3 konfigürasyonu, 21.367'lik bir Reynolds sayısında 2,06'lık bir optimum hidrotermal performans faktörüne (HTPF) ulaşmış ve katı ve silindirik pim yüzgeci tasarımlarına göre önemli bir iyileştirme göstermiştir. Bu, termal dağılımı artırmada yeni pim geometrileri ve delme desenlerinin performansına ilişkin en güncel literatürle uyumludur. Bulgular, orta büküm açılarına ve daha büyük deliklere sahip bükülmüş eliptik pim yüzgeçlerinin elektronikte yüksek performanslı hava soğutmalı ısı emiciler için umut verici bir alternatif olma potansiyelini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In response to the growing need for compact and thermally efficient electronic systems, the current study investigates the hydrothermal performance of perforated and non-perforated twisted pin fin heat sinks with varied twist angles and levels of perforation using Computational Fluid Dynamics (CFD). 148 simulation cases were conducted, including 36 designs of an elliptical pin with nine twist angles from 0° to 120° and four levels of perforation from solid to three perforations, tested under four inflow velocities across Reynolds numbers varying from 8547 to 21367. A conventional cylindrical pin-fin model was included as a baseline case. The results show that the heat transfer rate increases as the twist angle of the elliptical pin fins increases, with the Nusselt number increasing by up to 57% for the highest twist angle of 120° when evaluated against the baseline case at a Reynolds number of 21367. However, this improvement comes at the cost of increased flow resistance, as the pressure drop also increases, with a rate of 41% for the case of T120 over the baseline case. Although the twist angles of less than 60° achieved a good compromise between the performance and pressure drop, T30 achieved a pressure drop of 27% lower than the baseline, with T0 having as much as 40% lower compared to T120. The use of alternating twist configuration (e.g., T±30, T±60, T±90, T±120) had the same thermal performance as their uniform twist configuration but resulted in an additional pressure drop of 12%. Perforation played a significant role in enhancing hydrothermal performance. At a twisting angle of 30, the EPF-T30-P3 configuration demonstrated the best combined thermal–hydraulic behaviour, with an HTPF value reaching 2.06 at a Reynolds number of 21,367, depicting a significant enhancement over solid and cylindrical pin fin designs. This aligns with the most current literature on the performance of novel pin geometries and perforation patterns in enhancing thermal dissipation. The findings depict the potential of twisted elliptical pin fins with moderate twist angles and larger perforations as a promising alternative for high-performance air-cooled heat sinks in electronics.
Benzer Tezler
- Farklı eğriliklere sahip borulardaki nanoakışkan akımında ısı transferi ve basınç kayıp karakteristiklerinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer and pressure drop characteristics in nanofluid flow inside curved pipes having various curvatures
AYŞE SUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LÜTFÜ NAMLI
- Boru içine yerleştirilen türbülatörlerin ısı transferi ve akış karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the heat transfer and flow characteristics of turbulators placed in tubes
NURULLAH BADEMCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiBatman ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EŞREF BAYSAL
- İçerisine üçgen iç elemanlar yerleştirilmiş kanalda ısı transferi ve akış karakteristiklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of heat transfer and flow characteristics in a channel equipped with triangular inner elements
EYÜPHAN MANAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ÖZCEYHAN
- Numerical investigation of heat transfer and flow in partly heated fittings by using nanofluid
Kısmi ısıtlımış kesitleri ani değişen borularda nano-akışkan kullanarak akışın ve ısı transferinin sayısal olarak
ALI ABDULQADER MAAROF
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İHSAN DAĞTEKİN
- Dairesel osilasyonlu çarpan jet akış ve ısı transferi karakteristiklerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of circular pulsated impinging jet
MİTRA KAHROBA
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
EnerjiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU