Fraktal geometrili ısı değiştiricilerinde dallanma açısının ısı değiştiricisi performansına etkisinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the effect of branching angle onthe heat transfer performance of a fractal heat sink
Yazar: BARIŞ PEHLİVANOĞULLARI
Danışman: DOÇ. DR. TOLGA YASA
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Isı kuyuları güç elektroniği, LED aydınlatma sistemleri, bilgisayar teknolojilerinde yaygın olarak kullanılan, üzerlerindeki kanatçıklar sayesinde atık enerjiyi soğuk akışkana hızlı bir şekilde transfer ederek bağlı bulunduğu komponentin sıcaklığının kontrol altında tutulmasını sağlayan elemanlardır. Daha yüksek güç tüketen sistemlerin gelişimiyle birlikte ısı kuyusu ebatları da büyümekte, bu doğrultuda ısı transfer yüzey alanı genişletilmiş, kompakt ısı kuyularına ihtiyaç da artmaktadır. Bu kapsamda çalışmada dallandırılmış ağaç benzeri tasarımı sayesinde daha düşük hacim ve yüksekliklerde yüksek ısı transfer alanının elde edilmesini mümkün kılan fraktal tipteki ısı kuyuları ele alınmış, dallanma açısının ısı transfer performansına etkisini numerik olarak incelemek amaçlanmıştır.
Çalışmada 40mm yüksekliğinde, 120mm çapında plakalı bir ısı kuyusu referans alınmış, temel çap ve ısı transfer yüzey alanı ölçüleri sabit tutularak 30°,60° ve 120° açılarla dallandırılmış kanatçıklardan oluşan 3 yeni fraktal ısı kuyusu tasarlanmıştır. Tasarlanan tüm fraktal ısı kuyularında hem yükseklikte hem de ağırlıkta %50'nin üzerinde iyileşme sağlanmıştır. Çözümün numerik modelden bağımsız hale geldiğinden emin olmak üzere geometrik karmaşıklık seviyesi en yüksek model olan 30° açıyla dallandırılmış ısı kuyusunun tek kanatçığı dahil edilerek ağ hassasiyet analizleri gerçekleştirilmiş ve ideal model parametreleri belirlenmiştir. Bu model parametreleri esas alınarak referans ve fraktal ısı kuyularının hesaplamalı akışkanlar dinamiği modelleri oluşturulmuştur. Analizlerde ısı transferi çözümü için enerji denklemleri aktif hale getirilmiş, fraktal modellerdeki karmaşık akış yolları sebebiyle termal sınır tabaka gelişimini doğru modelleyebilmek adına k-w SST türbülans modeli kullanılarak akış denklemleri çözdürülmüştür. Geometrik etkilerin yanı sıra artan hava debisine bağlı olarak performans kıyaslaması yapabilmek için 2.5m/s, 5m/s ve 10m/s olmak üzere HAD analizleri 3 farklı akış hızında tekrarlanmış ve çözümler elde edilmiştir.
HAD çözümleri incelendiğinde referans modelde enerji kaynağına yakın kanatçık bölgelerinde akış etkinliğinin zayıf ve türbülans yoğunluğunun düşük olduğu, bu sebeple de kanatçığın büyük oranda etkin kullanılamadığı anlaşılmıştır. Diğer yandan fraktal modellerin tümünde akışın hızlanarak ısı kuyusu altına doğru yönlendiği, bu sayede ısının büyük oranda merkeze yakın kanatçıklar üzerinden uzaklaştırıldığı görülmüştür. Fraktal geometrilerin tümünün taban ortalama sıcaklıklarında referans modele kıyasla düşüş gözlenmiştir. 120° açıyla dallandırılmış IK-120 modelinde referans modele kıyasla taban sıcaklığında 5C°'lik düşüş, termal dirençte ise %15'lik bir iyileşme hesaplanmıştır. Karmaşık tasarımları sebebiyle fraktal ısı kuyularında akışta bölgesel hızlanmalar, akış ayrılmaları gözlenmiş, artan ısı taşınım kabiliyetlerine paralel olarak basınç kayıpları da yükselmiştir. Bu kapsamda fraktal modeller arasında en düşük basınç kayıpları IK-120 modelinde elde edilmiştir. Çalışmayla birlikte dallandırılmış fraktal yapılarla aynı hava debisinde benzer ya da daha iyi ısı transfer performansı gösterebilen kompakt ısı kuyularının tasarlanabileceği görülmüş, dallanma açılarının, kanatçık açıklıklarının, kanatçık sıralamalarının ve yöneliminin performans üzerindeki etkileri tecrübe edilmiştir. Literatürde fraktal geometriler özelindeki çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Dolayısıyla zorlanmış taşınımla soğutulan fraktal ısı kuyularında geometrinin ve giriş hızının ısı transfer performansı üzerindeki etkilerinin anlaşılması kapsamında yönelik literatüre önemli bir katkı sağlanmıştır.

Abstract:
Heat sinks are passive heat exchangers widely used in power electronics, LED lighting systems, computer technologies. Through their finned structure, they can quickly transfer waste heat energy to a cold fluid medium so that the temperature of the component they connected to can be kept under control. With the development of systems consuming more power, the need for efficient and compact heat sinks is also increasing. In this context, fractal heat sinks, which are allowing to obtain a higher heat transfer area even at lower volumes and heights owing to their tree-like branched structure, were investigated. It was aimed to numerically examine the effect of branching angle on the heat transfer performance. In the study, a radial plate-fin heat sink has an outer diameter of 120mm and a height of 40mm was taken as a reference model and 3 of new fractal heat sinks having branches at 30 °, 60 °, and 120 ° angles were designed by keeping the total surface area of each constant and equal to that of the reference model. To make sure that the solution is independent of the numerical model, mesh independence analyzes have been performed by including a single segment of the most complex fractal heat sink which was designed with branches at the angle of 30° and optimal mesh parameters have been determined. Based on these model parameters, computational fluid dynamics models of reference and fractal heat sinks were prepared. Since the fractal heat sinks have complex flow paths, a turbulence model giving more accurate solutions in regions where the flow separated or swirled was required to solve the thermal boundary layers precisely. Therefore k-w SST turbulence model was used. In order to investigate the effects of mass flow rates on heat transfer performances, CFD analyzes were repeated at 3 different airflow speeds of 2.5m/s, 5m/s, and 10m/s. In the reference heat sink model it is observed that the flow activity is weak and turbulence density is low around the regions close to the heat source, hence most of the fin area cannot be used effectively. On the other hand, in all fractal models, it is understood that the flow accelerates and is directed towards the bottom of the heat sink so that the heat is mostly dissipated from the fins close to the center. Compared to the reference model, a decrease was observed in the mean base temperatures of all the fractal heat sinks. In the IK-120 model branched at the angle of 120 °, a decrease of 5C ° in the base temperature and a 15% improvement in thermal resistance were calculated compared to the reference heat sink. Even though fractal heat sinks show better thermal performance than the reference model, due to their complex structures flow tends to accelerate and separate resulting in higher pressure drops. In this context, the lowest pressure losses among fractal models were obtained in the IK-120 model. With this study, it is understood that lightweight fractal heat sinks which show similar or better thermal performance compared to the conventional heat sink can be designed, and the effects of branching angles, fin spacing, fin alignment and orientation on performance have been experienced. The number of studies on fractal heat sinks in the literature is quite limited. Therefore, an important contribution has been made to the literature on understanding the effects of geometry and inlet velocity on heat transfer performance of fractal heat sinks cooled by forced convection.