Al2O3-Su Nanoakışkanlı Çapraz Akış-Çarpan Jet Akışlı Kanallara Yerleştirilen Kanatçığın Uzunluk Değişiminin Akış Yapısı ve Isı Transferine Etkisinin Araştırılması

Abstract

Son yıllarda küresel iklim değişikliğinin etkisinin hissedilmeye başlanmasıyla Avrupa ülkeleri başta olmak üzere tüm dünyada yeşil ekonomiye geçiş çalışmaları hız kazanmaya başlamıştır. Bu kapsamda, enerjinin elde edilişinin sürdürülebilirlik bakımından değerlendirilmesi başta olmak üzere kullanımının da tasarruflu ve verimli olması hedeflenmektedir. Bunun için öncelikle, enerji yoğun kullanılan sanayi sektörü başta olmak üzere; üretilen her türlü cihaz ve ekipmanın da enerji verimliliği yüksek ve uzun ömürlü sistemler olmasına dikkat edilmektedir. Elektronik sanayi sektöründe de son yıllarda yaşanan teknolojik ilerlemeyle birlikte; boyut ve hacimlerinde küçülmeler yaşanmaktadır. Ancak, küçük hacimlerde yüksek teknolojili ürünler kullanıcılar için avantajlı olsalar da; üreticiler için birim hacimde daha fazla ısı üretilmesi anlamına gelen sıkıntılı bir durum oluşturmaktadır. Bu durum, elektronik cihazlarda daha etkin soğutma tekniklerinin kullanılmasını gerekli kılmaktadır. Elektronik elemanlardan ısı transferini arttırmak için kullanılan çapraz akışlı soğutma yöntemi en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yöntem, soğuk akışkanın bir fan ile tüm bileşenlerin üzerine gönderilmesi ve böylece tüm elektronik bileşenlerin soğutulması prensibine dayanmaktadır. Bir başka ısı transfer yöntemi, soğuk sıvının bir lüle ile yüksek sıcaklığa sahip bir eleman üzerine yerel olarak püskürtüldüğü çarpan jet soğutmadır. Bu nedenle, tek tip soğutma yöntemi ile tüm devreyi güvenli bir şekilde tutabilecek şartlara ulaşmak zordur. Çarpan jet ve çapraz akışlı soğutma yönteminin birlikte uygulanması, yüksek soğutma kapasiteli faydalı bir durum oluşturabilmektedir. Al2O3-Su nanoakışkanı ısı transferi araştırmalarında yoğun olarak kullanılan bir ısı transferi akışkanı olmasına karşın; ulaşılan literatür araştırmalarında çapraz akış ve çarpan jet akışın birlikte uygulandığı jet akış çalışmalarının sayılarının oldukça az olduğu tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen bu çalışmada, küp ve yamuk modellerden olan ısı transferi ve kanallardaki akış yapıları kanatçıksız, 30o ve 45o açılı kanatçıklı birleşik jet akışlı kanallarda su ve Al2O3-Su nanoakışkanı kullanılarak sayısal olarak araştırılmıştır. Kanatçıklar, çarpan jet girişinden itibaren kanala sabit N=1,5D uzaklıkta yerleştirilmiş olup; kanatçık uzunlukları K=D ve K=1,5D olarak alınmıştır. Sayısal inceleme, zamandan bağımsız ve üç boyutlu olarak enerji ve Navier-Stokes denklemlerinin Ansys-Fluent programı kullanılarak k-ε türbülans modeli ile çözülerek gerçekleştirilmiştir. Kanatçık ve kanalın alt ve üst yüzeyleri adyabatik iken; model yüzeylerine 1000 W/m2‘ lik sabit ısı akısı uygulanmıştır. Akışkanlar için çalışılan Reynolds sayısı aralığı 5000-9000'dir. %2 hacimsel konsantrasyonlu Al2O3-Su nanoakışkanın termofiziksel özellikleri literatürde bulunan denklemler yardımıyla elde edilmiştir. Çalışmanın sonuçları literatürdeki deneysel çalışma sonucu elde edilen korelasyonla karşılaştırılmış ve sonuçların uyumlu oldukları bulunmuştur. Sonuçlar, kanallardaki her bir küp ve yamuk model yüzeyi için kanatçık uzunluğuna bağlı olarak ortalama Nu sayısının değişimleri olarak analiz edilmiştir. Ayrıca, Re=9000 değerinde farklı kanat açıları (30o ve 45o) ve uzunlukları (K=D ve K=1,5D) için Al2O3-Su nanoakışkanının hız-akım ve sıcaklık konturu dağılımları görselleştirilmiştir. Reynolds sayısının 9000 değerinde K=D ve K=1,5D ve kanallardaki tüm model yüzeyleri için su ve Al2O3-Su nanoakışkanı kullanılması durumlarında karşılaştırmalı olarak ortalama Nu sayısı (Nuo) ve model yüzey sıcaklık değerleri (To) değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda, Re=9000’ de 45o açılı ve K=1,5D uzunluklu kanatçıklı kanallarda Al2O3-Su nanoakışkanı kullanılması durumunda kanatçıksız ve su akışkanı kullanılan kanallara göre Nuo sayısında küp ve yamuk şekilli modeller için sırasıyla %18,62 ve %19,51’ lik artışlar elde edilmiştir.