Empirical model for evaluating jet impingement heat transfer in presence of a spatially varying heat source

Sabelberg, Enno; de Doncker, Rik W.; Kneer, Reinhold

doi:10.18154/RWTH-2022-01255

Empirical model for evaluating jet impingement heat transfer in presence of a spatially varying heat source = Ein empirischer Ansatz zur Auslegung des Wärmeübergangs von Prallstrahlen bei örtlicher Variation der Wärmequelle

Sabelberg, Enno^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Enno Sabelberg

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01255
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840791/files/840791.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
heat transfer (frei) ; jet impingement (frei) ; simulation (frei) ; superposition (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Prallstrahltechnik ist ein Kühlansatz mit hohem lokalem Wärmeübergang. Im Bereich der Leistungselektronik wurden in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt mit starkem Anstieg der Leistungsdichten. Aufgrund der dadurch entstehenden hohen lokalen Verlustwärmeströme ist die Prallstrahltechnik ein vielversprechender Ansatz für die Kühlung von Leistungselektronik-Modulen. Eine Auslegung ist jedoch schwierig, da die numerische Simulation von Prallstrahlen, besonders mehrdimensional, sehr rechenintensiv ist. In dieser Arbeit wird die Prallstrahlkühlung mit Bezug auf die Reduzierung der Rechenzeit untersucht. Dazu werden Methoden entwickelt, die das Temperaturfeld für verschiedene Prallstrahlkonfigurationen lösen können. Das komplexe Problem der Prallstrahlkühlung wird schrittweise vereinfach und separat gelöst. Die Teillösungen werden anschließend kombiniert um das Gesamtsystem zu lösen. Zuerst wird der rotationssymmetrische Prallstrahl mit partiellem Wärmestrom simuliert und aus den Ergebnissen werden Korrelationen abgeleitet. Die Korrelationen werden mit dem Prinzip der Superposition kombiniert, um eine Lösung für beliebig zugeführten Wärmestrom zu erhalten. Anschließend wird die Superpositions-Methode erweitert, so dass das Temperaturfeld für einen beliebigen zweidimensionalen Wärmestrom aufgelöst werden kann. Ein weiteres Model erweitert die Prallstrahl-Konfiguration um eine wärmeleitende Zwischenschicht. Dazu wird die Superpositions-Methode mit einem Wärmeleitungsmodel kombiniert. Die Methode kann einen Prallstrahl kombiniert mit Zwischenschicht zuverlässig berechnen mit stark reduzierter Simulationszeit verglichen zu numerischen Simulationen. Diese Arbeit präsentiert zuverlässige und schnelle Methoden zur Berechnung von Prallstrahlen verschiedener Konfigurationen. Der Fokus liegt auf der Temperaturberechnung für beliebig zugeführten Wärmestrom, beispielhaft im Bereich der Leistungselektronikkühlung. Aufgrund der schnellen Berechnungszeit vereinfachen die entwickelten Methoden die Auslegung von prallstrahlgekühlten Systemen.

Jet impingement is a cooling technique with high local heat transfer rates and suitable for applications with high local thermal loads. In the field of power electronics, the power density of electrical components and modules has risen immensely in recent years. Due to high local thermal losses of electronic modules, jet impingement cooling is a promising approach for these applications. Yet, the numerical evaluation of jet impingement cooling is computational expensive, especially for more dimensional setups. Jet impingement is examined as cooling application focusing on the reduction of the computational effort. Therefore, methods are developed to calculate multi-dimensional temperature profiles for supplied spatially varying heat flux. The methods are extended with further heat conducting interlayer between heat source and jet impingement. The jet impingement issue is therefore continuously reduced to simplified problems, which are solved separately and later combined to solve the general issue. First, the simplified problem of rotationally symmetric jet impingement with partial heating along the wall is solved. Second, correlations for the temperature distribution along the wall are identified. Third, the correlations are combined with the principle of superposition to generate the temperature profile for rotationally symmetric but radially varying heat fluxes. The superposition method is extended to solve a two-dimensional temperature field with spatially varying heat fluxes. In order to find a solution for the heat transfer in jet impingement, including an interlayer, the superposition method is coupled with a thermal conduction model. Compared to simulation data, the iterative approach achieves adequate results and requires significantly less calculation efforts. This study presents stringent and reliable methods to solve the temperature field for different setups of jet impingement, focusing on cooling of spatially varying heat fluxes, which is for example supplied by a power electronic modules with multiple electrical components. This allows for a computational efficient design process for jet impingement coolers, in which additional interlayers have to be considered.

OpenAccess:
PDF
(additional files)