Computational fluid dynamics simulations of liquid cooling for electronics

Abstract

This work was done as part of the LuxTurrim5G project funded by the participating companies and Business Finland. The objective was to design a compact liquid cooling heat sink for electronics. Two different flow geometries for an aluminum heat sink for liquid cooling were designed and numerically analyzed with computational fluid dynamics (CFD) using a conjugate heat transfer (CHT) model. In one geometry, guiding vanes at the inlet were used to decrease maldistribution of the fluid in the heatsink, and an empty, large opening in the other. Both geometries were studied with two different flow rates of the cooling liquid, corresponding to inlet Reynolds numbers of 4171 and 15641. For the modeling of turbulence, the standard k-epsilon model was used. Water was used as the heat transfer fluid in all simulations. The heat applied to the heatsink was set to 1600W, which is considered a worst case scenario. The highest allowed surface temperature to assure proper functionality of the electronics was set to 338K. The inlet water temperature was set to 300K. With 2 L/min flow rate, the surface temperature was noted to reach levels of 346.7K without the guiding vanes and 341.9K with the guiding vanes. With 7 L/min flow rate the surface temperatures were noted to reach levels of 332.7 without the guiding vanes and 326.4 with the guiding vanes. The effect of the guiding vanes and the flow rate of the cooling liquid were observed to be significant. In addition, the heat transfer enhancement in the entrance region of a developing laminar flow was observed to be of great importance. The reliability of the results obtained with the k-epsilon model was assessed by comparing the results to large-eddy simulation (LES). The comparison revealed similarities in the flow field within decent accuracy. The CHT solver used in this thesis was also validated against an analytic solution of a laminar flow between heated infinite parallel plates. The numeric results were observed to be in good agreement with the analytic solutions.

Tämä työ on tehty osana LuxTurrim5G-projektia osallisten yritysten sekä Business Finlandin rahoittamana. Työn tarkoitus oli suunnitella kompakti nestejäähdytysele- mentti elektroniikan jäähdyttämiseen. Kaksi toisistaan poikkeavaa virtausgeometriaa alumiiniselle jäähdytyselementille suunniteltiin ja arvioitiin numeeristesti käyttäen apuna konjugaattilämmönsiirtomallia laskennallisessa virtausmekaniikassa. Toises- sa geometriassa käytettiin virtauksen ohjureita sisäänvirtauksessa vähentääkseen virtauksen epätasaista jakautumista jäähdytyselementissä, ja toisessa geometriassa ei. Molemmat geometriat analysoitiin kahdella eri jäähdytysnesteen virtausmää- rällä, jotka vastasivat sisääntulon Reynoldsin lukuja 4171 ja 15641. Turbulenssin mallintamiseksi käytettiin k-epsilon turbulenssimallia. Kaikissa simulaatioissa jääh- dytysnesteenä käytettiin vettä. Jäähdytyselementtiin johdettu lämpöteho asetettiin 1600W tasolle, joka edustaa pahinta tapausta. Korkein sallittu pintalämpötila oli asetettu 338K tasolle. Sisäänvirtaavan veden lämpötila oli 300K. 2 L/min virtaamalla jäähdytyselementin korkeimmat pintalämpötilat olivat ilman virtauksen ohjureita 346.7K, ja virtauksen ohjureilla 341.9K. 7 L/min virtaamalla ilman ohjureita kor- kein pintalämpötila oli 332.7K ja ohjureilla 326.4K. Kehittyvän virtauksen alueella tapahtuva lämmönsiirron tehostuma huomattiin merkittäväksi. Turbulenssimallilla si- muloitujen tulosten luotettavuutta arvioitiin vertaamalla tuloksia suurten pyörteiden (LES) menetelmään. Vertailu osoitti yhdenmukaisuuksia virtauskentän tuloksissa riittävällä tarkkuudella. Työssä käytetty konjugaattilämmönsiirtoratkaisin validoitiin myös vertaamalla sen ratkaisua analyyttiseen ratkaisuun laminaarista virtauksesta kahden lämmitetyn, äärettömän levyn välissä. Numeeristen ratkaisujen huomattiin vastaavan analyyttistä ratkaisua hyvin.