Date of Award

6-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Bobby Mathew

Second Advisor

Mohamed Younes El-Saghir Selim

Abstract

This work conceptualizes heat sinks for electronics employing wavy/sinusoidal microchannels embedded with pin fins and subsequently analyzes their performance in terms of thermal resistance, pressure drop, maximum chip temperature, and the associated pumping power due to the pressure drop. The conceptualized wavy Microchannel Heat Sink (MCHS) is mathematically modeled using a combination of governing equations including energy equations, continuity equations, and Navier- Stokes equations. The performance of the wavy microchannel heat sink embedded with pin fins is evaluated based on a parametric study covering multiple parameters; microchannel’s amplitude, frequency, hydraulic diameter, pin fins’ diameter, and location, and Reynolds number. The different mathematical models are solved numerically using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques applying the different operating and geometric parameters. The performance of the wavy MCHS is also compared to the performance of other designs (straight, straight embedded with pin fins, and wavy microchannel heatsinks). The performance of selected cases of the studied wavy MCHS is investigated experimentally and compared with the simulation results to validate the results and obtain a better understanding of the actual performance of these designs. The performance of the wavy MCHS compared to the straight and straight microchannel embedded with pin fins heat sinks shows less thermal resistance for the wavy MCHS at the same operating parameters. Introducing pin fins to the wavy microchannel enhances the thermohydraulic performance achieving less thermal resistance but with a cost of an increase in pressure drop. Increasing both amplitude and frequency shows improvement in the thermohydraulic performance but also with a cost of an increase in pressure drop. The pressure drop associated with increasing the pin fins diameter happens to increase the pressure more significantly than the other geometric parameters. On the other hand, increasing the hydraulic diameter shows good improvement in thermohydraulic performance, reducing thermal resistance and pressure drop.

Arabic Abstract

هذا العمل يقدم تصميم مشتت حراري للإلكترونيات بتوظيف تصميم مموّج ذو قنوات متناهية الصغر مدمجة مع امتدادات مسمارية، وبعد ذلك يحلل الأداء من حيث المقاومة الحرارية، وانخفاض الضغط، ودرجة الحرارة القصوى للرقاقة، وما يرتبط بها من قوة الضخ اللازمة بسبب انخفاض الضغط.

المشتت الحراري ذو القنوات المتناهية الصغر المقترح (MCHS) تم تصميمه رياضياً باستخدام المعادلات التفاضلية التالية مثل معادلة الاستمرارية، معادلات نافير–ستوكس، ومعادلات الطاقة. يتم تقييم أداء المشتت الحراري بناءً على دراسة البارامترات المرتبطة مثل المعلمات الهندسية: سعة وتردد الموجة، القطر الهيدروليكي، قطر وموقع الامتدادات المسمارية، ومعامل التشغيل رقم رينولدز.

يتم حل النماذج الرياضية المختلفة باستخدام التحليل العددي بناءً على تقنيات ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) بناءً على المعايير التشغيلية والهندسية المختلفة. يتم أيضًا مقارنة أداء المشتت الحراري المقترح مع أداء التصميمات الأخرى (مستقيم، مستقيم مدمج مع امتدادات مسمارية، مموّج).

تم عرض ومناقشة النتائج التي تم الحصول عليها من المحاكاة العددية للوصول إلى أفضل الأداء الفعلي لهذا التصميم. أظهر أداء المشتت الحراري المقترح ذو القنوات المتناهية الصغر مقارنة بالقناة الدقيقة المستقيمة والدقيقة المستقيمة المدمجة مع امتدادات مسمارية مقاومة حرارية أقل عند استخدام نفس معاملات التشغيل.

كما أن إدخال الامتدادات المسمارية في القناة الدقيقة المموّجة يحسن الأداء التشغيلي ويحقق مقاومة حرارية أقل، ولكن مع كلفة زيادة انخفاض الضغط. تظهر زيادة كل من سعة وتردد الموجة تحسنًا في الأداء الحراري ولكن على حساب زيادة انخفاض الضغط.

من ناحية أخرى، أظهرت زيادة القطر الهيدروليكي تحسنًا جيدًا في الأداء الهيدروليكي الحراري، مما يقلل المقاومة الحرارية ويقلل انخفاض الضغط.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: التبريد باستخدام السوائل، مشتت حراري، قناة دقيقة، قناة دقيقة مموّجة، امتدادات مسمارية، المقاومة الحرارية، انخفاض الضغط.

Download
COinS