NUMERICAL INVESTIGATION ON THERMAL PERFORMANCE OF A HEAT SINK AT LOW REYNOLDS NUMBERS

Aim: Faster and more efficient cooling of electronic equipment is very important. Because the efficiency and power of these equipment depend on the operating temperature. Operating at high temperatures causes poor performance and system failures. The cooling of these systems is carried out by active and passive heat transfer methods. While active methods require external power, passive methods do not require external power. When designing efficient active cooling systems, it is necessary to establish a relationship between flow and fin geometry parameters to maximize heat transfer for minimum fan power and minimum heat sink size. In cases where fast and efficient cooling is desired, it is seen that forced convection cooling, which is the active method, is common in heat sinks used to cool these equipment. Heat transfer in different fin geometries such as circular, square, and rectangular is a subject that has been studied in detail. In recent years, rectangular airfoils have become the most preferred airfoils due to their ease of production, low cost and high efficiency. Method: In this study, the thermal performances of rectangular-section fins were examined under forced convection conditions and low Reynolds numbers. Ansys – Fluent 2023 R1 commercial package program was used for analysis, which solves the problem using the finite volume method (FVM). Their analysis showed that low Reynolds numbers are a typical feature of many industrial applications, so it was aimed to work at low Reynolds numbers. In the study, the Reynolds number was changed between 500 and 3000. Analyzes were made for hydraulically and thermally fully developed flow conditions. The k-kl-ω turbulence model was used in the solution. This model was preferred because it can effectively analyze the transition of the boundary layer from a laminar to a turbulent regime. In this context, analyzes were carried out at different Reynolds numbers by changing the number of wings and wing height so that the wing heat transfer surface area was kept constant while the wing lengths were kept constant. Results: In order to examine the changes that occur in heat transfer, the mean Nusselt number was calculated, and isotherms were drawn. In addition, fin resistance was also calculated for each case in order to quantify fin efficiency. As a result of the analysis, as the Reynolds number increased, the Nusselt number increased. Conclusion: TAs a result of the analysis, it was seen that the change in fin height as well as the fin gap/fin thickness ratio is an important parameter affecting the Nusselt number.

Keywords: Heat Sink, Forced Convection, Heat Transfer, Numerical Analysis

Doi: 10.17366/uhmfd.2023.21.4

Amaç: Elektronik ekipmanların daha hızlı ve verimli soğutulması oldukça önemlidir. Çünkü bu ekipmanların verimleri ve güçleri çalışma sıcaklığına bağlıdır. Yüksek sıcaklıklarda çalışma, performans düşüklüğüne ve sistem arızalarına sebep olmaktadır. Bu sistemlerin soğutulması aktif ve pasif ısı transfer yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Aktif yöntemler harici bir güç gerektiren yöntemlerken, pasif yöntemler de ise harici güce ihtiyaç duyulmamaktadır. Verimli aktif soğutma sistemleri tasarlanırken, minimum fan gücü ve minimum soğutucu boyutu için ısı transferini maksimuma çıkaracak şekilde akış ve kanat geometri parametreleri arasında bir ilişki kurmak gerekir. Hızlı ve verimli soğutma istenildiği durumlarda bu ekipmanların soğutulmasında kullanılan ısı çukurlarında aktif yöntem olan zorlanmış taşınımla soğutmanın yaygın olduğu görülmektedir. Dairesel, kare, dikdörtgen gibi farklı kanat geometrilerinde ısı transferi ayrıntılı olarak çalışılan bir konudur. Son yıllarda, üretim kolaylığı ve maliyetlerinin düşüklüğü, yüksek verimlilikleri nedeniyle dikdörtgen kesitli kanatçıklar en çok tercih edilen kanat profilleri olmuştur. Yöntem: Bu çalışmada zorlanmış taşınım şartları ve düşük Reynolds sayılarında dikdörtgen kesitli kanatların ısıl performansları incelenmiştir. Analizler için sonlu hacim metodu (FVM) kullanılarak çözen Ansys – Fluent 2023 R1 ticari paket programı kullanılmıştır. Analizleri Düşük Reynolds sayılarının birçok endüstriyel uygulamanın tipik bir özelliği olduğu görülmüştür, bu nedenle düşük Reynolds sayılarında çalışılması hedeflenmiştir. Çalışmada Reynolds sayısı 500 ve 3000 aralığında değiştirilmiştir. Hidrolik ve ısıl olarak tam gelişmiş akış şartları için analizler yapılmıştır. Çözümde k-kl-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Bu model, sınır tabakasının laminerden türbülanslı bir rejime geçişini etkili bir şekilde analiz edilebildiği için tercih edilmiştir. Bu kapsamda kanat uzunlukları sabit tutularak kanat ısı transfer yüzey alanı sabit olacak şekilde kanat sayısı ve kanat yüksekliği değiştirilerek farklı Reynolds sayılarında analizler yapılmıştır. Bulgular: Isı transferinde meydana gelecek değişimleri incelemek için ortalama Nusselt sayısı hesaplanmış ve eş sıcaklık eğrileri çizdirilmiştir. Bunlara ek olarak kanat performansını nicelleştirebilmek adına her bir durum için kanat direnci de hesaplanmıştır. Yapılan analizler sonucunda Reynolds sayısı arttıkça ortama Nusselt sayısı artmıştır Sonuç: Analizler sonucunda kanat boşluğu/kanat kalınlığı oranının yanı sıra kanat yüksekliğinin değişimi de Nusselt sayısını etkileyen önemli bir parametre olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Isı Çukuru, Zorlanmış Taşınım, Isı Transferi, Sayısal Analiz

Doi: 10.17366/uhmfd.2023.21.4

Page Range: 50-63