İğne kanatçıklı-alüminyum köpük birleşik ısı kuyusunun ısıl ve akış davranışının teorik ve deneysel olarak incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of the thermal and flow behavior of pin fin-aluminum foam integrated heat sink
Yazar: YİĞİT SERKAN ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL SOLMAZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınç düşmesi = Pressure drop ; Isı alıcıları = Heat sinks ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Amaç: Elektronik sektörü küçülen cihaz boyutlarıyla birlikte birim hacimde artan soğutma yükünü karşılamak amacıyla soğutma performansı bakımından daha gelişmiş yöntemlere veya ürünlere ihtiyaç duymaktadır. Bu bağlamda bu tez çalışmasında geleneksel iğne kanatçıklı ve metal köpük ısı kuyularının birleşiminden oluşan yeni bir ısı kuyusunun imal edilmesi, üretimi gerçekleştirilen ısı kuyusunun termohidrolik performansının deneysel veriler ile doğrulanmış sayısal bir model ile detaylı olarak incelenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Birleşik ısı kuyularının sıralı ve şaşırtılmış yerleşim düzeni, uzunluk/yükseklik oranı(L/H), kanat/köpük yükseklik oranı(Hkanat/Hköpük), kuyu/kanat hacim oranı ve kanatçık profili gibi tasarım koşulları altında akış ve ısı transferi davranışları COMSOL Multiphysics v5.4 kullanılarak üç boyutlu ve kararlı hal koşullarında sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal çalışma yürütülmeden önce COMSOL Multiphysics v5.4 ortamında geliştirilen modeller deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Sayısal analizler 500-3500 ReDh aralığında kalacak şekilde 8000 W/m2 düzgün dağılı sabit ısı akısı ve 8000 ile 4000 W/m2'lik düzgün dağılı olmayan sabit ısı akısı durumları için yürütülmüştür. Modellerde katı (alüminyum köpük) ve gaz (hava) fazlarının yerel termal dengede (LTE) olduğu kabul edildiğinden, hesaplama alanındaki her iki faz için sıcaklık dağılımını değerlendirmek için tek enerji denklemi kullanılmıştır.
Bulgular: Birleşik ısı kuyusu ile ısıtılan yüzey arasındaki ısıl temas direnci(ITD) katı kanatçıklar ve alüminyum köpük arasındaki ITD ile karşılaştırıldığında ortalama Nu üzerinde daha büyük bir etkiye sahiptir. Analizlerin gerçekleştirildiği tüm ısı kuyuları için artan ReDh ile ortalama Nu ve akış yönündeki ΔP'lerin arttığı gözlemlenmiştir. Kanatçık düzeninin sıralı veya şaşırtılmış olmasının birleşik ısı kuyusunun termal ve hidrolik performansları üzerinde önemli bir etkisinin olmadığı görülmüştür. incelemeye esas alınan ReDh aralığında genel olarak Hkanat/Hköpük oranı bakımından en performanslı ısı kuyusunun yarım boyda kanatçıklar içeren birleşik ısı kuyusu (Hkanat/Hköpük=15/30) olduğu tespit edilmiştir. Her iki yerleşim düzeni için de kanatçık çapının 4 mm'den 12 mm'ye çıkarılmasının, termal performans katsayısı ƞ'nin ortalama değerini %10 oranında kötüleştirdiği tespit edilmiştir. İncelenen kanatçık profilleri arasında elips profilli kanatçıklara sahip birleşik ısı kuyusunun ReDh=3500'de 1.24 değeri ile en yüksek ƞ'ya sahip olduğu görülmüştür.
Sonuç: Tez çalışması kapsamında önerilen birleşik ısı kuyusunun, gözenekli ve iğne kanatçıklı ısı kuyularının tek başına kullanılması durumunda bu ısı kuyularının özeliklerinden ve yapılarından dolayı ortaya çıkan dezavantajlı durumları ortadan kaldırması sebebiyle genel olarak sektörün talep ve ihtiyaçlarına çözüm sunabilecek etkin bir alternatif olabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler:  Isı kuyusu, alüminyum köpük, iğne kanatçık, basınç düşümü, ısı transferi

Abstract:
Purpose: The electronics industry needs more improved methods or products in terms of cooling performance in order to handle the rising cooling load in unit volume with the decreasing device sizes. The aims of this thesis are to create a new heat sink using a combination of conventional pin-fin and metal foam heat sinks, and to assess the heat sink's thermohydraulic performance using a numerical model that is supported by experimental data.
Method: The flow and heat transfer behaviors of the integrated heat sinks were investigated numerically for its various design conditions such as the in-line and staggered arrangements, length/height ratio (L/H), fin/foam height ratio (Hfin/Hfoam), heat sink/fin volume ratio and fin profile in three-dimensional and steady-state conditions by using the COMSOL Multiphysics v5.4. Before the numerical study was carried out, the models developed in the COMSOL Multiphysics v5.4 environment were verified by the obtained experimental data. Numerical analyzes were performed for a constant heat flux of 8000 W/m2 and non-uniformly distributed constant heat flux of 8000 and 4000 W/m2 within the range of ReDh 500-3500. Since the solid (aluminum foam) and gas (air) phases were considered to be in local thermal equilibrium (LTE) in the models, a single energy equation was devised to assess the temperature distribution for both phases in the computational domain.
Results: The thermal contact resistance between the integrated heat sink and the heated surface has a greater influence on the average Nu compared to the resistance between solid fins and aluminum foam. For all heat sinks where the analyses were conducted, it was found that the average Nu, and ΔP in the flow direction increase with the increasing value of ReDh. It has been observed that the effect of fin arrangement being in-line or staggered, has no significant effect on the thermal and hydraulic performances of the integrated heat sink. In terms of the Hfin/Hfoam ratio within the investigated range of the ReDh, it is established that the integrated heat sink with half-length fins is the most efficient heat sink. The mean value of ƞ was found to be 10% worsened for both arrangements when the diameter of the fin was raised from 4 mm to 12 mm. When compared to the other fin profiles taken into consideration, it was discovered that the integrated heat sinks with elliptical fins performed the best in terms ƞ, with a value of 1.24. 
Conclusion: It has been concluded that the proposed integrated design proposed within the scope of the thesis can be an effective alternative that can meet to the demands and needs of the sector in general, since it eliminates the disadvantages both the pin finned and the aluminum foam heat sinks have due to their characteristics and structures.

Keywords:  Heat sink, aluminum foam, pin-fin, pressure drop, heat transfer