Çarpan akışkan jetleri kullanılarak elektronik elemanların soğutulmasının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of electronics equipment cooling with impinging jets
Yazar: MEHMET FEVZİ KÖSEOĞLU
Danışman: PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Sıvı kristal yöntemi = Liquid crystal technique ; Türbülans ölçümü = Turbulence measurement ; Çarpan hava jetleri = Impinging air jets

Özet:
Çarpan jetlerin akış ve ısı transferi özellikleri, jet çıkış geometrisindenjet çıkışındaki hız profiline, jet ile plaka arasındaki mesafeden jetiçerisindeki türbülansa, çarpma plakası geometrisinden jet ile plakaarasındaki sıcaklık farkına kadar birçok parametreye bağlı olarakdeğişmektedir.Bu çalışmada ilk olarak, jet ile çarpma plakası arasındaki sıcaklıkfarkının yerel ve ortalama ısı transferine etkisi Re =250-10000, jet plakamesafesi H/D=2-12 aralığında deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir.Bahsedilen sıcaklık farkının özellikle küçük jet hızlarında ortalama ısıtransferi üzerinde %35'e varan oranlarda etkili olduğu ve kaldırmakuvveti etkisiyle oluşan akışın yerel ısı transferini çarpma plakasınındeğişik bölgelerinde arttırdığı veya azalttığı gözlemlenmiştir.Çarpma plakası üzerinde elde edilen Nu sayıları plaka boyuncadoğrusal olmayan bir şekilde değişmektedir. Bahsedilen değişiminbelirli aralıklarla ısıl çiftler kullanılarak belirlenmesi özellikle küçük jetçaplarının kullanıldığı durumlarda mümkün olmamaktadır. Bu değişiminjet çıkış geometrisinin bir fonksiyonu olarak her noktadavbelirlenebilmesi için sıvı kristal sıcaklık ölçüm tekniği kullanılarakdairesel, eliptik ve dikdörtgen kesitli 9 farklı jet geometrisi için deneyleryapılmıştır. Dairesel jetten farklı eliptik ve dikdörtgen geometrilerinözellikle durma bölgesinde pasif bir ısı transferi arttırım mekanizmasıolarak kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.Dairesel ve eliptik jetin akış alanı jet geometrisinin ve jet ile plakaarasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak ayrıntılı Lazer DopplerAnemometrisi (LDA) ve basınç ölçümleriyle belirlenmiştir. Eliptikjetlerde eksen kayması olduğu ve dairesel jetten daha küçük potansiyelöz uzunluğuna sahip oldukları belirlenmiştir. Jet çıkışından başlayıpplaka sonuna kadar elde edilen hız ve türbülans verilerinin, maksimumısı transferi konumunun belirlenmesine yönelik Re=100-10000 ve H/D=2-12 aralığında gerçekleştirilen parametrik sayısal çalışma sonuçlarıylabirlikte incelenmesi sonucunda, elde edilen ısı transferinin plakaüzerinde jetin ivmelenmesi ve jet içerisindeki türbülans yoğunluğu ileilgisi olduğu belirlenmiştir.Çarpan jet akışı sayısal modellemeye uygun basit geometrisi vekarmaşık akış özellikleri göstermesi sebebiyle bir çok farklı türbülansmodelinin test edilmesi için çok uygun bir akıştır. Düşük Re sayılı Lam-Bramhorst k-? türbülans modeli dairesel, eliptik ve dikdörtgen kesitlitürbülanslı jetlerin modellemesinde test edilmiştir. Sonuç olarakmodelin ısı transferini çarpma plakası üzerinde her noktada belirlemedeyetersiz kaldığı ancak durma noktasından itibaren genel değişimiyakalayabildiği görülmüştür.Anahtar Kelimeler : Çarpan jet, LDA, sıvı kristal, ısı transferi

Abstract:
Flow field and heat transfer characteristics of impinging jets depend onmany parameters including, jet to plate distance, turbulence in the jet,jet exit geometry and the temperature difference between the jet and thetarget plate.In the first part of this study, the effect of temperature differencebetween the jet and the target plate on local and average heat transfercharacteristics of impinging jets has been numerically andexperimentally investigated. In the parametric study, Re number anddimensionless jet to plate distance were varried from 250 to 10000, anddimensionless jet to plate distance from 2 to 12 respectively. It hasbeen shown that, as a result of increasing temperature difference,average heat transfer rate could be enhanced up to 35% at low jet exitvelocities. In addition, buoyancy induced flow might have assisting oropposing effect on local heat transfer depending on the position on thetarget plate.Along the target plate, Nu number changes nonlinearly from theimpinging point onwards. For small jet diameters, it is difficult tovcorrectly determine this change by using thermocouples. In order todetermine local heat transfer rates for different jet exit geometries,experiments have been conducted for 9 different jet exit geometriesincluding circular, elliptic and rectangular jets by using liquid crystalthermography temperature measurement technique. As a result, it hasbeen shown that elliptic and rectangular jets could be used as apassive enhancement mechanism, especially in the stagnation region.Flow field characteristics of circular and elliptic impinging jets havebeen determined by detailed LDA and pressure measurements as afunction of dimensionless jet to plate distance. Axis switch-overphenomena and shorter potential core length of eliptic jets, comparedto circular jets, have been mapped. Analysis of velocity and turbulencedata in the flow field together with the results of the parametricnumerical study for the determination of maximum heat transfer ratelocation, showed that heat transfer is linked to flow acceleration on thetarget plate and turbulence in the jet.Due to their simple geometry and complex flow field charateristicsimpinging jets are very suitable for testing different turbulence models.Low Re number, Lam-Bramhorst k-? model has been tested to modelcircular, elliptic and rectangular jets. Model was not appropriate todetermine the heat transfer rate at every point on the target plate butwas able to predict the general profile change.Key Words : Impinging jet, LDA, liquid crystal, heat transfer