Date of Award

11-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Bobby Mathew

Abstract

This thesis presents a numerical study of laminar forced convection in a novel design of a microscale single phase water cooled circular heat sink with pin fins developed and analyzed to serve as a miniaturized cooling system. The developed heat sink in this study aims to achieve efficient heat dissipation from high electronics integration that generates high heat flux and non-uniform temperature distribution, which leads to the reduction of life and reliability of electronic devices.

Numerical analysis of ten different configurations of the circular heat sink has been carried out for the heat flux of 100 W/cm2 at range of Reynolds number from of 100 to 350 using Fluent module of Ansys Workbench 2021 R2. The mathematical model of the heat sink satisfies the Navier–Stokes, continuity, energy and the heat equations that will be numerically solved using a finite volume method approach applying boundary conditions. The influence of geometric parameters on the heat sink hydraulic, thermal performance and coolant flow characteristics were considered in this study. It focuses on evaluating the overall thermal performance in terms of thermal resistance and pumping power for circular heat sinks with pin-fin structures when subjected to different parameters modifications such as diameter of the pin-fins, the pitch angle between the pins in radial direction, number of arrays and the fluid cavity on the overall performance is examined in this work for laminar flow regim.

The simulation results analyzed considering both the pressure drop presented in the pumping power along with the thermal resistance in evaluating the overall performance of the circular pin-fin heat sink. The convective and caloric thermal resistance contribution in the overall thermal resistance illustrated as well. The observation from the results is all the parameters reduced the thermal resistance compared to the un-finned circular heat sink and raising the pumping power except the cavity height. As heat sink with fluid cavity H= 0.2 mm and 0.15 mm reduced the reduction in pumping power by 74-81% and 53-59% respectively. Therefore, both designs have less pressure drop as compared to heat sink with H= 0.1 mm. Nevertheless, overall thermal resistance increased by 8-37% and 3-12%

Arabic Abstract


تكثيف انتقال الحرارة في المشتتات الحرارية ذات القنوات الدقيقة باستخدام تصاميم متعرجة مدمجة مع امتدادات مسمارية

تقدم هذه الأطروحة دراسة رقمية للانتقال الحراري بالحمل المدعم في تصميم جديد لمشتت حراري دائري مجهري مبرد وحيد وهو الماء مع امتدادات مسمارية تم تطويره وتحليله ليستخدم كنظام تبريد مصغر. يهدف المشتت الحراري المطور في هذه الدراسة إلى تحقيق تبديد فعال للحرارة من الأجهزة الإلكترونية ذات تدفق حراري عالٍ وتوزيع غير منتظم لدرجة الحرارة، مما يؤدي إلى تقليل عمر وفعالية الأجهزة الإلكترونية.

تم إجراء التحليل الرقمي لعشرة أشكال مختلفة للمشتت الحراري الدائري لتدفق حراري قدره 100 واط/سم مربع في مدى Re من 100 إلى 350 باستخدام برنامج Ansys Workbench 2021 (Fluent module of Ansys Workbench 2021 (R2)). النموذج الحسابي للمشتت الحراري يحقق معادلات (Navier–Stokes)، الاستمرارية، الطاقة والمعادلات الحرارية التي سيتم حلها رقمياً باستخدام طريقة الحجم المحدود مع تطبيق شروط الحدود. تم دراسة تأثير العوامل الهندسية على الأداء الهيدروليكي والحراري وخصائص تدفق المبرد في المشتت الحراري في هذه الدراسة. ويركز تقييم الأداء الحراري العام من حيث المقاومة الحرارية وقوة الضخ للمشتتات الحرارية الدائرية ذات الهياكل ذات امتدادات مسمارية عند تعرضها لتعديلات عوامل مختلفة مثل قطر الزعانف الدبوسية، وزاوية الميل بين المسامير في الاتجاه الشعاعي، تم فحص عدد الصفوف وتجويف السائل على الأداء العام في هذا العمل لنظام التدفق الصفيحي.

تم تحليل نتائج الدراسة الرقمية مع الأخذ في الاعتبار انخفاض الضغط المقدم في قدرة الضخ إلى جانب المقاومة الحرارية في تقييم الأداء العام للمشتت الحراري ذي امتدادات مسمارية دائرية. كما توضح مساهمة المقاومة الحرارية للحمل الحراري والسعرات الحرارية في المقاومة الحرارية الإجمالية. الملاحظة من النتائج هي أن جميع العوامل أدت إلى انخفاض المقاومة الحرارية مقارنة بالمشتت الحراري الدائري بدون امتدادات مسمارية دائرية ورفع قدرة الضخ باستثناء ارتفاع التجويف. نظراً لأن المشتت الحراري بتجويف السائل H= 0.2 mm و 0.15 قلل من انخفاض طاقة الضخ بنسبة %81-74 و%59-53 على التوالي، ولذلك، فإن كلا التصميمين يتمتعان بانخفاض ضغط أقل مقارنة بالمشتت الحراري الذي يبلغ H=0.1 mm. ومع ذلك، زادت المقاومة الحرارية الإجمالية بنسبة %37-8 و%12-3.

Download
COinS