Fraktal geometrili ısı değiştiricilerinde dallanma açısının ısı değiştiricisi performansına etkisinin sayısal incelenmesi

Isı kuyuları güç elektroniği, LED aydınlatma sistemleri, bilgisayar teknolojilerinde yaygın olarak kullanılan, üzerlerindeki kanatçıklar sayesinde atık enerjiyi soğuk akışkana hızlı bir şekilde transfer ederek bağlı bulunduğu komponentin sıcaklığının kontrol altında tutulmasını sağlayan elemanlardır. Daha yüksek güç tüketen sistemlerin gelişimiyle birlikte ısı kuyusu ebatları da büyümekte, bu doğrultuda ısı transfer yüzey alanı genişletilmiş, kompakt ısı kuyularına ihtiyaç da artmaktadır. Bu kapsamda çalışmada dallandırılmış ağaç benzeri tasarımı sayesinde daha düşük hacim ve yüksekliklerde yüksek ısı transfer alanının elde edilmesini mümkün kılan fraktal tipteki ısı kuyuları ele alınmış, dallanma açısının ısı transfer performansına etkisini numerik olarak incelemek amaçlanmıştır. Çalışmada 40mm yüksekliğinde, 120mm çapında plakalı bir ısı kuyusu referans alınmış, temel çap ve ısı transfer yüzey alanı ölçüleri sabit tutularak 30°,60° ve 120° açılarla dallandırılmış kanatçıklardan oluşan 3 yeni fraktal ısı kuyusu tasarlanmıştır. Tasarlanan tüm fraktal ısı kuyularında hem yükseklikte hem de ağırlıkta %50'nin üzerinde iyileşme sağlanmıştır. Çözümün numerik modelden bağımsız hale geldiğinden emin olmak üzere geometrik karmaşıklık seviyesi en yüksek model olan 30° açıyla dallandırılmış ısı kuyusunun tek kanatçığı dahil edilerek ağ hassasiyet analizleri gerçekleştirilmiş ve ideal model parametreleri belirlenmiştir. Bu model parametreleri esas alınarak referans ve fraktal ısı kuyularının hesaplamalı akışkanlar dinamiği modelleri oluşturulmuştur. Analizlerde ısı transferi çözümü için enerji denklemleri aktif hale getirilmiş, fraktal modellerdeki karmaşık akış yolları sebebiyle termal sınır tabaka gelişimini doğru modelleyebilmek adına k-w SST türbülans modeli kullanılarak akış denklemleri çözdürülmüştür. Geometrik etkilerin yanı sıra artan hava debisine bağlı olarak performans kıyaslaması yapabilmek için 2.5m/s, 5m/s ve 10m/s olmak üzere HAD analizleri 3 farklı akış hızında tekrarlanmış ve çözümler elde edilmiştir. HAD çözümleri incelendiğinde referans modelde enerji kaynağına yakın kanatçık bölgelerinde akış etkinliğinin zayıf ve türbülans yoğunluğunun düşük olduğu, bu sebeple de kanatçığın büyük oranda etkin kullanılamadığı anlaşılmıştır. Diğer yandan fraktal modellerin tümünde akışın hızlanarak ısı kuyusu altına doğru yönlendiği, bu sayede ısının büyük oranda merkeze yakın kanatçıklar üzerinden uzaklaştırıldığı görülmüştür. Fraktal geometrilerin tümünün taban ortalama sıcaklıklarında referans modele kıyasla düşüş gözlenmiştir. 120° açıyla dallandırılmış IK-120 modelinde referans modele kıyasla taban sıcaklığında 5C°'lik düşüş, termal dirençte ise %15'lik bir iyileşme hesaplanmıştır. Karmaşık tasarımları sebebiyle fraktal ısı kuyularında akışta bölgesel hızlanmalar, akış ayrılmaları gözlenmiş, artan ısı taşınım kabiliyetlerine paralel olarak basınç kayıpları da yükselmiştir. Bu kapsamda fraktal modeller arasında en düşük basınç kayıpları IK-120 modelinde elde edilmiştir. Çalışmayla birlikte dallandırılmış fraktal yapılarla aynı hava debisinde benzer ya da daha iyi ısı transfer performansı gösterebilen kompakt ısı kuyularının tasarlanabileceği görülmüş, dallanma açılarının, kanatçık açıklıklarının, kanatçık sıralamalarının ve yöneliminin performans üzerindeki etkileri tecrübe edilmiştir. Literatürde fraktal geometriler özelindeki çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Dolayısıyla zorlanmış taşınımla soğutulan fraktal ısı kuyularında geometrinin ve giriş hızının ısı transfer performansı üzerindeki etkilerinin anlaşılması kapsamında yönelik literatüre önemli bir katkı sağlanmıştır.