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.

Comments

هذا العمل يقدم تصميم مشتت حراري للإلكترونيات بتوظيف تصميم مموج 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 ( MCHS ) المقترح تم تصميمه رياضيًا باستخدام المعادلات الحاكمة التالية؛ معادلة الطاقة، معادلة الاستمرارية، ومعادلات نافيير ستوك. يتم تقييم أداء المشتت الحراري بناءً على دراسة بارامترية تغطي العديد من المعاملات 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 ديناميكيات الموائع الحوسبية ( CFD ) بناءً على المعايير التشغيلية والهندسية المختلفة. يتم أيضًا مقارنة أداء المشتت الحراري المتموج بأداء التصميمات الأخرى )مستقيم، مستقيم مدمج مع امتدادات مسمارية، مموج(. تم فحص أداء بعض الحالات المختارة تجريبيا ومقارنته بنتائج المحاكاة للتحقق من صحة النتائج والحصول على فهم أفضل للأداء الفعلي لهذه التصاميم. يُظهر أداء المشتت الحراري المتموج ذو القنوات المتناهية الصغر مقارنة بالقناة الدقيقة المستقيمة والدقيقة المستقيمة المدمجة مع امتدادات مسمارية مقاومة حرارية أقل عند استخدام نفس معلمات التشغيل. يعمل إدخال الامتدادات مسمارية في القناة الدقيقة المتموجة على تحسين الأداء التشغيلي مما يحقق مقاومة حرارية أقل، ولكن مع تكلفة زيادة انخفاض الضغط. تُظهر زيادة كل من السعة والتردد تحسنًا في الأداء الهيدروليكي الحراري، ولكن أيضًا مع زيادة انخفاض الضغط. انخفاض الضغط المرتبط بزيادة قطر الامتدادات المسمارية له تأثير أكبر من المعاملات الهندسية الأخرى. من ناحية أخرى، تُظهر زيادة القطر الهيدروليكي تحسنًا جيدًا في الأداء الهيدروليكي الحراري، مما يقلل المقاومة الحرارية وتقليل انخفاض الضغط.

Download
COinS