Doğrudan sıvı soğutmalı ısı emici bloğunun optimizasyonu ve soğutma performansının sayısal olarak incelenmesi
Optimization of direct liquid cooled heat sink block and numerical investigation of cooling performance
Yazar: UĞUR RECEP ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. SİNAN ÇALIŞKAN
Hitit Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar = Fluids ; Grafik işlem birimi = Graphics processing unit ; Isı geçişi = Heat transfer ; Soğutma = Cooling

Özet:
Yüksek performans şartlarında çalışmak üzere tasarlanan elektronik bileşenlerin, sahip oldukları boyutların küçülmesi sonucunda birim hacim başına düşen ısı miktarı çok yüksek seviyelere çıkmaktadır. Bu sebeple ortaya çıkan ısının uzaklaştırılması, elektronik bileşen performansının maksimum seviyede tutulması ve çalışma sürelerinin uzatılması adına soğutma teknikleri önemli hale gelmiştir. Son dönemlerde yapmış olduğu etki ve ortaya koyduğu soğutma performansı ile ısı transferi uygulamalarında sıvı soğutma sistemleri sıklıkla tercih edilmektedir. Bu kapsamda gerçekleştirilen tez çalışmasında, sıvı soğutma blokları için farklı geometrilerde sayısal modeller oluşturulmuş olup akış ve ısı transferi performansının değişimi incelenmiştir. Ortaya konan modellerin oluşturulması, analizler için kullanılan parametrelerin belirlenmesi ve bu parametrelere bağlı olarak analiz planının oluşturulması için Taguchi metodundan yararlanılmıştır. Giriş, ısı alıcısı ve çıkış bölümü olmak üzere 3 bölümden oluşan sıvı soğutma bloğunda, iş akışkanı olarak saf su ve nanopartikül hacim fraksiyonu % 2 ve % 4 değerlerine sahip Al2O3/su nanoakışkanı kullanılmıştır. Ortaya konan sıvı soğutma bloğu modeli için ticari amaçla oluşturulmuş bir model temel alınmış olup belirlenen parametrelere göre en uygun model elde edilmiş ve kıyaslanmıştır. Sıvı soğutma bloğunun kullanıldığı GPU modelinin, tam yük altında maksimum sıcaklık değerinde çalıştığı kabul edilmiştir. Ayrıca ısı alıcısı tabanına etki eden ısıl güç miktarı, çalışmada referans alınan GPU (Grafik İşlemci Birimi)'nun TDP (Thermal Design Power) değerine bağlı olarak 250 W olarak belirlenmiştir. 1000-2000 Reynolds değer aralığında gerçekleştirilen çalışmada, kanal içerisine gönderilen nanoakışkanların, giriş ve ısı alıcısı bölümünde bulunan engel ve kanatçıkların akış ve ısı transfer performansı üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir.

Abstract:
The amount of heat per unit volume rises to very high levels due to the reduced size of electronic components designed to operate under high-performance conditions. For this reason, cooling techniques have become important to remove the heat generated, keep the electronic component performance at the maximum level and extend the working times. Liquid cooling systems are frequently preferred in heat transfer applications due to the effect it has made in recent times and their demonstrated cooling performance. In the thesis study carried out in this context, numerical models with different geometries were created for liquid cooling blocks, and the change in flow and heat transfer performances were examined. The Taguchi method was used to create the models and determine the parameters used for the analysis. It creates the analysis plan based on these parameters.  Pure water and Al2O3/water nanofluid with a nanoparticle volume concentration of 2% and 4% were used as the working fluid in the liquid cooling block, consisting of 3 sections, inlet, heat sink, and outlet. A commercially created model was taken as a basis for the liquid cooling block model. The optimal model was obtained and compared according to the determined parameters. It is assumed that the GPU model, in which the liquid cooling block is used, operates at the maximum temperature under full load. In addition, the amount of thermal power affecting the base of the heat sink was determined as 250 W, depending on the TDP (Thermal Design Power) value of the GPU (Graphics Processing Unit) referenced in the study. In this study, carried out in the Reynolds numbers value range from 1000-2000 the effects of nanofluids in the channel, obstacles, and fins in the inlet and heat sink section on the flow and heat transfer performance were numerically investigated.