Farklı mikrofin yapıları etrafında akış kaynamasının sayısal analizi

Geleneksel boyutlar yerine daha küçük boyutlarda üretilen elektronik cihazlarda oluşan yüksek ısı akısı, sistemlerin performansının düşmesine ve çeşitli arızalara neden olmaktadır. Elektronik cihazların soğutulmasında kullanılan mikrokanallı ısı değiştiricilerin, tasarımlarında yapılacak değişiklikler soğutma verimliliğini artırabilmektedir. Bu uygulamalardan biri, mikrokanallı ısı değiştiricilerde kullanılan mikrofinlerin tasarımlarının değiştirilmesi ile ısı değiştiricilerin geliştirilmesidir. Bununla birlikte dielektrik çalışma akışkanlarının kullanılması ile daha güvenli ve etkili bir soğutma sağlanabilmektedir. Termal yönetimi sağlamak amacıyla kullanılan ısı transferi yöntemleri arasından, faz değişiminin söz konusu olduğu soğutma sistemleri, başarılı bir uygulama olarak görülmektedir. Faz değişiminin bulunduğu soğutma sistemleri, buharın gizli ısısını kullanarak optimum ısı dağılımına olanak sağlar. Çift fazlı akış, bu özelliği sayesinde tek fazlı akışa göre ısı transferi açısından daha avantajlı hale gelmektedir. Soğutma problemi, çift fazlı akış ile çözülmeye çalışılsa da ısı transferinde ve akışkan kaynama karakteristiklerinde oluşan mekanizmaların tam olarak anlaşılamaması, bu alanda yapılan çalışmalara yönelimi artırmıştır. Mikrokanallı ısı değiştiricisi ile soğutma sağlayan sistemlerde, kanal içerisindeki akışkanın kaynaması sonucunda oluşan ısı transferi mekanizmasını yorumlamak amacıyla yapılan deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmaktadır. Deney çalışmalarının zorluğu ve artan maliyetlerden dolayı, bu transfer mekanizmalarını daha detaylı incelemek adına sayısal çalışmalara olan yönelim artmıştır. Bu çalışmada, mikrokanallı ısı değiştiricilerde yer alan, ısı transferinin artmasına olanak sağlayan mikrofin yapılarındaki şekil değişikliklerinin, ısı transferi katsayısına olan etkileri incelenmiştir. Literatürde daha önce incelenen mikrofin şekillerine ek olarak, mikrokanallı ısı değiştirici içerisinde hidrolik çapları eşit olan, farklı en/boy değerlerine sahip, elips mikrofinler ile zamana bağlı nümerik analiz çalışması gerçekleştirilmiştir. Fin duvarlarına 50, 100, 150 kW/m2 olmak üzere üç farklı sabit ısı akısı tanımlanmıştır. Novec649 dielektrik çalışma akışkanı, 0.5 m/s ve 1 m/s sayılarında sabit hız ile akış alanına girmektedir. Çalışmada, mikrofin çevresine tanımlanan ısı akıları ile ısınan, Novec649 akışkanının kaynamasıyla birlikte, kanal içerisine yerleştirilen farklı şekillerdeki elips mikrofinlerin etrafında oluşan kabarcık dinamiği incelenmiştir. Sayısal analiz sonucunda elde edilen mikrofinlerin oluşturduğu ısı transferi katsayısı ve buna bağlı olarak ısı transferi performansını iyileştiren mikrofin şeklini bulmak amaçlanmıştır. ANSYS Fluent 2023 R1 modülü kullanılarak oluşturulan simülasyonda, VOF metodu kullanılarak 6 farklı sınır koşulu ile sayısal analiz yapılmıştır. Isı transferi performansını etkileyen koşullar değerlendirilerek, en yüksek ısı transferi katsayısına sahip mikrofinin, 3.88 mm boy ve 3.88 mm genişliğe sahip elips şekli olduğu görülmüştür.