Flat-grooved heat pipes (FGHP) are widely used in many applications from thermal management of electronic devices to space industry due to their robustness and ability of dissipating heat from the system effectively and reliably. FGHP is basically a container with micro grooves on the inner surfaces, and essentially a bridge that can transfer large amount of thermal energy between a heat source and a sink with small temperature differences by utilizing the phase change mechanism of the working fluid. Heat source evaporates the working fluid in the one end of the grooves, and due to the pressure difference, the composed vapor flows to the heat sink region in the other end. Then the vapor condenses back into the grooves before it flows to the evaporation region by the capillary force and repeat the cycle. Mathematical modeling of heat transfer and fluid flow of FGHP's is crucial to understand the effects of many parameters (dimensions, groove shape, working fluid filling ratio, material types) on their operational limits in order to design case-specific heat pipes. In the literature, many models are presented with some simplifications and assumptions. In this thesis, a computational methodology is proposed that models the heat transfer and fluid flow fully in 3D for the first time, by using COMSOL Multiphysics via LiveLinkTM for MATLAB interface. Combining the flexibility of script environment of MATLAB with the benefits of using energy and momentum solvers of a commercial software gives a powerful and practical tool that can overcome great difficulties if this modeling was to be done in a CFD software or an in-house code alone. In the presented model, radius of curvature (R) variation of the working fluid in the groove, temperature gradient of the groove wall (Tw), and vapor temperature (Tv) are the essential working parameters of a heat pipe that reflects the efficiency. In this methodology, these variables are estimated initially, and are calculated by a set of inter-bedded and subsequent iterations. The momentum equations are solved for the iteration of R, Tw is iterated by solving the energy equations, and lastly Tv is calculated by the secant method using the conservation of mass. Depending on the values of the variables, the solution domain is regenerated and the phase change boundary conditions are recalculated at each iteration. The presented model is compared with the literature for validation. Then, a parametric study for investigating the effect of groove depth on the performance of a flat-grooved heat pipe is conducted. Different power of heat sources are used for determining the dry-out in the grooves.

Düz oluklu ısı boruları (DOIB), dayanıklı oluşlarından ve ısı taşıma konusunda yüksek etkinliğe ve güvenirliğe sahip olmalarından dolayı elektronik komponentlerin soğutulmasından uzay endüstrisine kadar geniş bir uygulama alanına sahiptirler. DOIB en basit tanımıyla, iç yüzeylerinde mikro olukları olan bir kutu, ve bir ısı kaynağıyla gideri arasında, içindeki çalışan sıvının faz değişimi sayesinde düşük sıcaklık farklarında yüksek ısı iletimi yapabilen bir köprüdür. Isı kaynağının oluğun bir ucundaki çalışan sıvıyı buharlaştırması, oluşan buharın kendi oluşturduğu basınç sayesinde ilerleyerek diğer uçta tekrar yoğuşarak oluğun içine geri akması ve oluğun içinde, kılcal etki sayesinde başladığı yere tekrar akarak bu döngüyü devam ettirmesi ile çalışırlar. DOIB'larındaki ısı transferini ve akışı modellemek boyut, oluk şekli, çalışan sıvının doldurulma oranı ve materyal çeşitleri gibi birçok parametrenin operasyonel limitler üzerine olan etkisini anlamak, kullanım şartlarına özgü tasarımlar yapabilmek açısından kritiktir. Literatürde birtakım basitleştirmelere ve varsayımlara dayanan birçok model bulunmaktadır. Bu tezde ise, akışı ve ısı transferini ilk defa üç boyutta olarak modelleyen ve COMSOL Multiphysics via LiveLink for MATLAB arayüzünü kullanmaya dayanan bir metot sunulmuştur. Bir programlama dilini kullanmanın yarattığı esnekliğin, bir ticari yazılımın enerji ve momentum çözücülerini kullanmanın getirdiği rahatlıkla birleşmesi ile, bu problemin tek başına bir HAD yazılımıyla veya bir programlama diliyle çözülmeye çalışılması durumunda ortaya çıkacak büyük engelleri aşabilecek kuvvetli ve kullanışlı bir araç ortaya çıkmıştır. Bu modelde eksenel yönde, oluk içindeki çalışan sıvının eğrilik yarı çapının (R) değişimi, oluk duvarının sıcaklık gradyenti (Tw) ve buhar sıcaklığı (Tv) ısı borularının esas çalışma parametreleri olmakla birlikte ısı borularının etkinliğini de gösterirler. Sunulan metot dahilinde, bu değişkenler için önce birer değer tahmin edilir ve daha sonra da iç içe ve sıralı bir iterasyon seti ile hesaplanırlar. R iterasyonu için momentum denklemleri, Tw iterasyonu için enerji denklemleri çözülürken, Tv için objektif fonksiyonu kütlenin korunumuna dayanan bir sekant metodu kullanılır. İterasyonlar sırasında, değişkenler için hesaplanan her bir değere karşılık olarak da sürekli olarak çözüm bölgesi baştan oluşturulur ve sınır koşulları tekrar hesaplanır. Sunulan model, doğrulama amacıyla literatürle kıyaslanmıştır. Daha sonra, düz olukların derinliğinin ısı borusunun performansına olan etkisini gözlemleme amacıyla parametrik bir çalışma yürütülmüştür. Son olarak farklı ısı girdileri, verilen bir ısı borusundaki `dry-out`un saptanması amacıyla denenmiştir.