Numerical and experimental investigation of effects of porous layer on cooling of electronic components
Gözenekli malzemelerin elektronik komponentlerin soğutulmasında etkisinin deneysel ve sayısal incelemesi
- Tez No: 795427
- Danışmanlar: PROF. DR. HAŞMET TÜRKOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çankaya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, gözenekli ortamla kaplı elektronik bir bileşen üzerindeki ısı transferi ve akış karakteristikleri deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Bu amaçla, bir deney düzeneği geliştirilmiş ve kurulmuş ayrıca OpenFOAM platformu kullanılarak bilgisayar programı geliştirilmiştir. Elektronik bileşen, pirinçten yapılmış bir ısı dağıtan blok modeli olarak modellenmiştir. Isıtılmış blok, gerçek bir grafik işlemci birimi (GPU) ile aynı boyutlarda üretilmiştir. Bloğun üst yüzeyi alüminyumdan yapılmış bir gözenekli malzeme ile kaplanmıştır. Bloktan ısı transferini farklı akış koşullarında incelemek için, blok dikdörtgen bir kanala yerleştirilmiştir. Elektronik bileşenlerin soğutmasında gözenekli tabakanın rolünü karşılaştırmak için, gözenekli tabaka olmadan hem deneysel hem de sayısal çalışmalar yapılmıştır. Problemin üç boyutlu, türbülanslı ve zamandan bağımsız olduğu kabul edilmiştir. Deneysel çalışmalarda, ısıtılmış bloktaki sıcaklık dağılımı, gözenekli tabaka kaplanmayan ve kaplanan bloklar için farklı Reynolds sayıları (20000<Re<35000) ve ısı üretim değerleri (6,72 W, 10 W, 14,2 W, 18,3 W) altında ölçülmüştür. Ölçülen verilerden Nusselt sayısı hesaplanmıştır. Sayısal çalışmalar için, incelenen problem matematiksel olarak Darcy-Forchheimer yaklaşımı kullanılarak modellenmiştir. k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Akışkan ve gözenekli tabaka malzemesinin yerel termal denge içinde olduğu varsayılmıştır. Denklemlerin çözümü için OpenFOAM platformuna dayalı bir bilgisayar kodu geliştirilmiştir. Sayısal çözümler için, sonlu hacim yöntemi ve SIMPLE algoritması kullanılmıştır. Konvektif terimlerin ayrıklaştırması için ikinci derece Upwind yöntemi kullanılmıştır. Cebirsel denklemlerin çözümü için Gauss-Seidel iterasyon tekniği kullanılmıştır. Geliştirilen bilgisayar programı kullanılarak, çözüm alanındaki (akış, gözenekli tabaka ve ısıtılmış blok) hız ve sıcaklık dağılımı simüle edilmiştir. Sayısal sonuçların geçerliliğini kontrol etmek için, bu çalışmada elde edilen deneysel sonuçlar ve literatür verileri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, gözenekli ortamların elektronik soğutma uygulamaları için kanatçık yapılarına alternatif olarak kullanılabileceği gözlemlenmiştir. Akışın Reynolds sayısı arttıkça, Nusselt sayısı da artmaktadır. Gözenekli ortamın gözenekliliği, ısı transfer hızını etkileyen önemli bir parametredir. Nusselt sayısı, gözenekliliğin %90 değerine kadar artış göstermektedir. Ancak, gözenekliliğin daha fazla artmasıyla, Reynolds sayısı sabitken Nusselt sayısı artış göstermemektedir. Gözenekli ortam yüksekliği ile kanal yüksekliği oranı (h/H) ısı transferi için önemli bir parametredir. h/H oranı arttıkça, sabit Reynolds sayısında elektronik bileşenlerden ortalama ısı transfer katsayısı artar. h/H oranının etkileri, iki farklı Nusselt sayısı tanımı dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Hidrolik çap temelli tanımlanan Nusselt sayısı, h/H oranı arttıkça azalır. Gözenekli ortam yüksekliği (h) temelli tanımlanan Nusselt sayısı, h/H oranı arttıkça artar. Gözenekli ortam genişliğinin Nusselt sayısı üzerinde fark edilir bir etkisi görülmemiştir. Elde edilen korelasyon denklemi, literatürdeki çalışmaların aksine dört farklı bağımsız parametre içermektedir. Geliştirilen korelasyon denklemi ile Nusselt sayısı, Reynolds sayısı, Darcy sayısı, porozite ve gözenekli ortam yüksekliği ile kanal yüksekliği oranının fonksiyonu olarak %16,79 maksimum hata ile elde edilebilir. Tez kapsamında geliştirilen yapay sinir ağı mimarisi, korelasyon denklemine kıyasla daha iyi bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Yapay sinir ağı mimarisi kullanılarak, benzer sistemler için Nusselt sayısı %1 maksimum hata ile elde edilebilir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, heat transfer and fluid flow characteristics over an electronic component covered with a porous medium were investigated both experimentally and numerically. For these purposes, an experimental setup was developed and constructed, and a computer program was developed using the OpenFOAM platform. The electronic component considered was modelled by a heat dissipating block made from brass. The heat dissipating block was made in the same dimensions as a real graphic processing unit (GPU). The top surface of the block was covered by a porous layer made from aluminum. To study the heat transfer from the block under different flow conditions, it was placed in a rectangular channel. To compare the role of the porous layer on cooling of the electronic components, both experimental and numerical studies were also conducted for the block without porous layer. The problem was assumed to be three dimensional, turbulent and steady. In the experimental studies, the temperature distribution in the heat dissipating block was measured at different Reynolds numbers (20000<Re<35000) and heat generation values (6.72 W, 10 W, 14.2 W, 18.3 W) for both blocks with porous layer cover and without porous layer cover. From the measured data, the Nusselt number was calculated. For numerical investigations, the problem was mathematically modelled using Darcy-Forchheimer approach. The k-ε turbulence model was used. It was assumed that the fluid and the porous layer material are in local thermal equilibrium (LTE). For the solution of the equations, a computer code based on OpenFOAM platform was developed. For the numerical solutions, the finite volume method and SIMPLE algorithm was used. A second order upwind method was used for the discretization of convective terms. The Gauss-Seidel iteration technique was used to solve the algebraic equations. Using the developed computer program, the velocity and temperature distribution within the solution domain (in flow, porous layer and block) were simulated. To check the validity of the numerical results, experimental results obtained in the present study and data from literature were used. For the heat transfer from the block, Nusselt numbers were calculated using the obtained temperature distribution. Numerical studies were conducted at different Reynolds numbers (15000<Re<50000), heat generation rate values (6.72 W, 10 W, 14.2 W, 18.3 W), porosity values (0.55<φ<0.98), the porous medium height to the channel height ratios (0.064<h/H<0.66), and the block width to the porous medium height ratios (2.5<t/h<3.75). Experimental and numerical results were used to develop a correlation equation and an artificial neural network architecture for Nusselt number. From the results of the study, it was observed that porous mediums can be used as an alternative to the fin structures for electronic cooling applications. As the Reynolds number of the flow increases, the Nusselt number also increases. The porosity of the porous medium is an important parameter affecting the heat transfer rate. The Nusselt number increases with increasing porosity up to porosity of 0.9. However, with further increase in the porosity, the Nusselt number does not change considerable with increasing porosity at a given Reynolds number. The ratio of the height of the porous medium to the channel height (h/H) is another parameter that is important for the heat transfer. As the h/H ratio increases, the average heat transfer coefficient from the electronic components increases at a constant Reynolds number. The effects of the h/H ratio was evaluated by considering two different Nusselt number definition. The Nusselt number defined based on the hydraulic diameter decreases as the h/H ratio increases. The Nusselt number defined based on the height of the porous medium (h) increases as the h/H ratio increases. The width of the porous medium has no noticeable effect on the Nusselt number. The obtained correlation equation contains four different independent parameters contrary to the studies in the literature. By the correlation equation developed, the Nusselt number can be obtained with a maximum error of 16.79% as a function of Reynolds number, Darcy number, porosity, and the ratio of porous medium height to channel height. Artificial neural network developed reveals as a better tool compared to correlation equation for the determination of Nusselt number. Using the artificial neural network architecture developed within the scope of the thesis, the Nusselt number can be obtained with a maximum error of 1% for similar systems.
Benzer Tezler
- PEM yakıt hücresi performansı üzerine anizotropik elektriksel iletkenlik ve direnç etkilerinin deneysel ve sayısal araştırılması
Experimental and numerical investigation of anisotropic electrical conductivity and resistance effects on PEM fuel cell performance
MERT TAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
EnerjiErciyes ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLŞAH ELDEN
- Frost formation on a proturded flat surface: Experimental and numerical investigation
Çıkıntılı bir düz yüzey üzerinde kar oluşumu: Deneysel ve nümerik inceleme
ALPER ABDUŞOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALTUĞ MELİK BAŞOL
- Kömürlerin kendiliğnden yanmasının teorik ve deneysel incelenmesi
Theoretical and experimental investigations of spontonequs combustion of coals
FEHMİ AKGÜN
- Santrifüj kuvvet altında tekstil içerisindeki su hareketinin incelenmesi
Investigation of water flow in porous textile under centrifugal forces
FATİH KASAP
Doktora
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Effect of frost formation on heat transfer: Experimental investigation and numerical model development
Karlanmanın ısı transferi üzerindeki etkisi: Deneysel inceleme ve sayısal model geliştirme
ALPER SAYGIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ALTUĞ MELİK BAŞOL
PROF. DR. MEHMET ARIK