Comprehensive study of simplified models for thermal sizeeffects induced by localized heating in crystalline solids
Kristal yapılarda ısınma ile tetiklenen termal boyut etkileri için basitleştirilmiş modellerin kapsamlı çalışması
- Tez No: 966296
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA NAZLI DÖNMEZER AKGÜN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek performanslı nano ve mikroskala cihazlar, gelişmiş elektronik ve optik uygulamalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu cihazların artan performansı, özellikle yerel ısıtma kaynaklı termal boyut etkileri nedeniyle, hassas termal karakterizasyonu kritik hâle getirmektedir. Isıtılan bölgelerin boyutları fononların ortalama serbest yoluna yaklaştığında, klasik difüzyonel ısı iletimi yetersiz kalmakta ve fonon tabanlı modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışma, yerel ısıtma sonucu oluşan termal boyut etkilerini analiz etmek amacıyla, Fonon Boltzmann Taşıma Denklemi'nin (BTE) çözümüne dayalı Sonlu Hacim Ayrık Yönler Yöntemi (FVDOM) ile Kinetik Kolektif Model'i (KCM) temel almaktadır. FVDOM ve KCM kullanılarak, Monte Carlo yönteminin rastlantısallığından ve aşırı sadeleştirilmiş varsayımlarından kaçınılmış; daha deterministik ve hassas çözümler elde edilmiştir. Ab-initio hesaplamalarla fonon özellikleri yüksek doğrulukla belirlenmiş, termal analizlerin doğruluğunu artırmıştır. KCM ve gri FVDOM, mikroskala ısı taşınımının modellenmesindeki elde ettikleri ve fonon özelliklerinin elde edilmesine uygunlukları açısından karşılaştırılmıştır. FVDOM, ağ bağımlılığı daha düşük olduğu için, termal yayılma direncine yönelik yarı-ampirik bir korelasyon geliştirilmesinde tercih edilmiştir. Ayrıca, AlGaN/GaN HEMT cihazında yerel ısıtma etkileri, gerçek ısı üretim profilleri ile modellenmiştir. Son olarak, sıcaklığa bağlı fonon özelliklerinin KCM'ye entegre edilmesiyle modelleme doğruluğu artırılmıştır. Elde edilen bulgular, yayınımsal olmayan ısı taşınımı ve sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin, yeni nesil mikroskala cihazların güvenilir termal tasarımı için temel olduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
High-performance nano- and microscale devices are increasingly used in advanced electronic and optical applications. The importance of accurate thermal characterization increases as their performance improves, mainly due to localized heating-induced size effects. These effects occur when the dimensions of the heated region approach the phonon mean free path, causing deviations from classical diffusive heat transport. Traditional Fourier-based models cannot adequately explain the thermal behavior under these conditions, necessitating phonon-based models, such as the solution of the phonon Boltzmann transport equation (BTE). In this thesis, we address the computational challenges of modeling thermal transport under localized heating using full Boltzmann Transport Equation (BTE), which is computationally intensive. A mesoscopic approach, such as that of Finite Volume Discrete Ordinates Method (FVDOM) and Kinetic Collective Model (KCM), is employed to evaluate their accuracy among other available methods like Monte Carlo (MC) and Lattice Boltzmann (LBM). Incorporating phonon properties from ab initio simulations further improves the accuracy of thermal predictions. KCM and gray FVDOM are compared for their capability to capture size-dependent heat transport and suitability for microscale applications. In addition, FVDOM is used to develop a semi-empirical correlation for the thermal spreading resistance, taking advantage of its numerical stability over mesh-sensitive models. Using a realistic heat generation profile in an AlGaN/GaN HEMT, we demonstrated the significance of non-diffusive transport and temperature-dependent material properties. It is evident from these findings that efficient mesoscopic models with physically accurate input are required for thermal design of advanced electronic devices.
Benzer Tezler
- Reduction of losses in gas turbines using active and passive methods combination through CFD analyses and parametric investigation
CFD analizleri ve parametrik araştırma ile gaz türbinlerinde aktif ve pasif yöntemlerin birlikte kullanımıyla kayıpların azaltılması
NASSER CAN KASIMBEYOĞLU
Doktora
İngilizce
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
PROF. DR. CENGİZ CAMCI
- Klasik ve mikrogermeli ortam teorisiyle modellenen plaklarin caputo kesirli türevi yardimiyla nonlokal titreşim analizi
Nonlocal vibration analysis of classic and microstretch plates with the help of caputo fractional derivative
SONER AYDINLIK
Doktora
Türkçe
2020
Matematikİstanbul Teknik ÜniversitesiMatematik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET KIRIŞ
- Comparative study of combustion modes in internal combustion engines using CFD simulations
İçten yanmalı motorlarda farklı yanma modlarının SAD yaklaşımı kullanarak karşılaştırılması
MOBIN MAJIDI DOLAT ABADI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM SORUŞBAY
- Makine öğrenmesi tabanlı iç ortam sıcaklık kontrolü için bir simülatör yazılımı tasarımı
Design of a simulator software for machine learning-based indoor temperature control
AYDIN BOSTANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DEVRİM AKGÜN
- Binalarda enerji ve rüzgâr simülasyonlarının aynı algoritma üzerinden parametrik üretilebilmesi için model geliştirilmesi
Development of a model for parametric generation of energy and wind simulations in buildings through a single algorithm
OĞUZHAN KORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ