基于FLUENT臺式電腦cpu散熱器散熱分析

【摘 要】在科技高速發(fā)展的今天，計算機工業(yè)也在飛速進步，從而計算機在運行速度方面有了質(zhì)的飛躍。在高速發(fā)展的同時，也帶來了弊端，特別是電腦的發(fā)熱量越來越高。在正常情況下，為了使得電腦的內(nèi)部溫度不至于過高，需要給電腦配備專用的降溫系統(tǒng)來保障其正常的運行工作。本文為CPU散熱器的數(shù)值模擬介紹，借助前幾章的計算流體力學的理論分析，本文完成散熱器不同狀況下的數(shù)值模擬，并完成相應(yīng)的分析。

【關(guān)鍵詞】散熱器；流場；溫度場；CPU

在CPU散熱領(lǐng)域內(nèi)，越來越多的新技術(shù)被研發(fā)出來并在消費市場上開始興起，從冷卻方式來說，有風冷、水冷和熱管三種方式。風冷方式主要依靠一個散熱風扇和一個散熱片的形式；水冷散熱方式主要是依靠液體循環(huán)流動帶走散熱器熱量；熱管散熱是基于液體在全封閉真空管內(nèi)的蒸發(fā)與凝結(jié)原理來輸送熱量的一種方式，相比較前兩種方式而言，其散熱性能極好。無論采取何種散熱方式，最終的目的都是為了確保CPU芯片高熱流密度條件下產(chǎn)生的熱量能及時被排出，如果散熱效果不能保證，將嚴重制約CPU的穩(wěn)定運行及可靠性，甚至有部分CPU會出于自我保護的方式在高熱情況下自動停止工作，因此解決CPU的散熱問題迫在眉睫。

4.1 Fluent使用方法

4.1.1分析工程

1）、依據(jù)實體建立相同幾何尺寸的模型，并使用畫網(wǎng)格軟件進行網(wǎng)格劃分。

2）、檢查生成的網(wǎng)格質(zhì)量并導出網(wǎng)格文件；

3）、挑選合適的求解器；

4）、選擇合理的控制方程，包括湍流模型，傳熱傳質(zhì)模型、組分或反應(yīng)模型等。

5）、選擇流體物性材料參數(shù)；

6）、指定邊界條件；

7）、條件計算控制參數(shù)；

8）、流場初始化；

9）、計算；

10）、檢查結(jié)果；

11）、數(shù)值模擬結(jié)果的存儲及其后處理[29]。

其中步驟（1）為前處理過程，其目的是為了給出模擬的前提條件：思考所要解決問題的幾何模型如何建立，包括模型的尺寸大小，計算域內(nèi)介質(zhì)材料的類型選擇。并依據(jù)模型和所要解決的問題，思考該模擬過程中各種模型的選擇，初始化條件和具體的邊界條件該如何設(shè)置。

（2）～（10）為針對所建模型和問題的求解過程。這一過程包括迭代方式、求解器及控制方程以及邊界參數(shù)的選擇以及對所選方程的計算求解。通過調(diào)試并修改相應(yīng)的參數(shù)、改進計算方法，設(shè)置殘差標準來使得計算結(jié)果的最終收斂。

（11）為后處理過程，將通過自帶的后處理功能或者專業(yè)的后處理軟件來對數(shù)值模擬的結(jié)果進行相關(guān)處理?？梢缘玫揭恍┣忻娴膮?shù)分布云圖，也可以在流場中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)來最終對模擬結(jié)果進行分析。

4.1.2邊界條件建立

邊界條件的設(shè)置非常重要，會影響到計算的可行性以及結(jié)果的可靠性。相關(guān)邊界條件的類型主要羅列如下：

1、進出口的邊界條件參數(shù)；

2、外壁面及對稱壁面以及其運轉(zhuǎn)的周期軸；

3、內(nèi)部物體的表面邊界。如散熱器、風扇等；

內(nèi)部表面邊界條件與各物體的表面相關(guān)，用以補充說明相關(guān)散熱物體如排氣扇、散熱器等物理模型。

4.2 Fluent求解器

因為可以提供多種密度基顯示和隱式求解器，另外，還能提供壓力基的分離求解器，因此在多種繁復的流場計算過程中多數(shù)研究人員采選用FLUENT軟件作為第一求解工具軟件。同時也因該軟件包含了很多經(jīng)工程經(jīng)驗驗證的物理模型并采用多樣化求解計算方法以及多重網(wǎng)格技術(shù)來加快計算收斂的速度，該軟件通過智能的結(jié)構(gòu)化非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格判斷適應(yīng)技術(shù)以及海量的精準物理模型提供，能夠最大程度的真實模擬物理環(huán)境和物理介質(zhì)，從而使得常見的傳熱與相變、多相流、變形網(wǎng)格等復雜的流體機理問題等能被準確快速的處理計算。

FLUENT軟件中提供了強大的網(wǎng)格模型功能，其中的動網(wǎng)格模型可以實現(xiàn)復雜運動的模型過程，其中更是包括了六自由度模型，該模型能針對復雜多體分離問題的進行相關(guān)計算求解。

另外，對于處理粘彈性材料的層流流動問題，可以通過POLYFLOW軟件進行模擬，它是一款基于有限元法的數(shù)值模擬軟件，其適用于多種高分子材料的擠壓、成型、混合過程中的流動及傳熱等問題的研究。

AIRPAK是針對暖通空調(diào)領(lǐng)域的氣流、溫濕度等參數(shù)的數(shù)值模擬軟件。

除FLUENT外，常用的CFD軟件還有多用于旋轉(zhuǎn)機械的軟件，例如CFX。專業(yè)的多相流求解軟件—FLOW-3D等等。

4.3性能仿真

4.3.1 物理模型

在我們真實的物理環(huán)境中，通常的CPU的吸熱盒設(shè)計是如下圖所示的樣式：外界的流動空氣通過進口進入到吸熱盒中，然后按照預(yù)定的流通方向進行流動，在流動的同時，處理器所散發(fā)的熱量會隨著空氣流被帶走，從而導致CPU盒內(nèi)（包含CPU）溫度的降低。

圖4-1 CPU吸熱盒結(jié)構(gòu)圖

在該實驗中，我們實際設(shè)計使用的吸熱盒的尺寸如下表所示：

表4-1 模型尺寸參數(shù)表

在實際應(yīng)用中最常見的典型散熱器是平直型散熱器，這種散熱器的優(yōu)點是空間連貫，鱗片間距均勻規(guī)律，從而使得散熱器中的空氣能很順利的流入流出。從制作工藝上將，平行排列的鱗片幾乎相同，排列順序也有規(guī)律，因此可以在流水線上大量的生產(chǎn)出來。該種散熱器的吸熱口與底部的肋片呈垂直結(jié)構(gòu)分布，空氣在從吸熱口進入后從側(cè)面流出，在流出的過程中其流向會遍布整個底面肋片表面，因此其散熱效果受到多數(shù)生產(chǎn)廠商的肯定。

平直型散熱器的主要尺寸參數(shù)如下：

底板：設(shè)計厚度為0.7cm，平面尺寸為10*10cm；

肋片：數(shù)量為25片；單片高度為6cm，厚度為0.16cm，長度：10cm；

流體區(qū)域：將附近0.5cm范圍內(nèi)的區(qū)域規(guī)劃為流體區(qū)域的邊界范圍。

4.3.2 網(wǎng)格化分

接著就是進行網(wǎng)格區(qū)域的劃分，根據(jù)Fluent軟件的特點，擬選用TGrid非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對該模型進行進行劃分，根據(jù)實際需求需要分別劃分出固體網(wǎng)格和流體網(wǎng)格。其中固體網(wǎng)格節(jié)點的比率我們?nèi)≈禐?，流體網(wǎng)格的節(jié)點比率我們?nèi)≈禐?.7，由此可計算出整個區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)大約為40萬。網(wǎng)格劃分示意圖如下圖所示：

圖4-2 CPU網(wǎng)格劃分

4.3.3參數(shù)設(shè)定與計算方法

（1）邊界條件的設(shè)定：將流體入口的位置設(shè)置為速度的入口邊界，用標準K-ε模型來計算出入口規(guī)格的參數(shù)數(shù)值用以計算，將流體的出口設(shè)置為速度的出口邊界。將固體流體匯合接觸的交界面定義為對流換熱的耦合界面。絕熱邊界由固體的外壁來確定，熱源面作為恒熱流的邊界來確定。在該模型中，固體材料我們選銅介質(zhì)，流體材料我們選用水作為介質(zhì)。

（2）相關(guān)參數(shù)：

根據(jù)實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，將入口速度分別選定以下幾個數(shù)值來進行測試：0.145m/s、0.241 m/s、0.338 m/s、0.423 m/s、0.481 m/s。在上述幾個入口速度影響下，分別計算顯示吸熱盒內(nèi)的速度場和溫度場的分布情況和固體流體界面的換熱圖像，流動出口流量比重取值定義為1，固體內(nèi)壁面粗糙度取值定義為0.5，熱源的供應(yīng)方式及參數(shù)為：恒熱，流密度為650000W/m2

（3）計算方法：在本模型選用的計算模型中，我們選用標準K-ε湍流模型，算法選取SIMPLE算法。由于輻射換熱影響較小，因此在本設(shè)計中選擇忽略。為使實驗結(jié)果準確，特增加了粘性生成熱的計算，另外由于重力對流體介質(zhì)的影響，根據(jù)實驗位置選用g為9.8078m/ s2。

4.3.4模擬分析

4.3.4.1 內(nèi)部流場流動分析

數(shù)值模擬了CPU 吸熱盒模型換熱特性以及內(nèi)部流體介質(zhì)的特性。在前面我們定義了入口的速度變的取值范圍為：0.148～0.481m/s，在這個區(qū)間的速度范圍內(nèi)，根據(jù)軟件模擬計算顯示，吸熱盒的熱源面的熱流密度是均勻分布的且很穩(wěn)定，并且進口的流速和流體的溫度也是呈均勻分布狀。在本實驗中由于沒有考慮輻射換熱，另外考慮了粘性生成熱的對該實驗的影響，因此模擬結(jié)果會有一定的誤差，但該誤差在允許的范圍內(nèi)，經(jīng)過計算各參數(shù)誤差，壓降誤差最大為18%，最小僅為0.1%；換熱量最大誤差則是11%，最小誤差達到了0.3%，滿足規(guī)定的計算不準確度的要求。通過下圖我們也可以看出，在該模擬實驗中吸熱盒內(nèi)的熱流動和換熱特性數(shù)值與實驗結(jié)果幾乎是完全吻合。

圖4-3 CPU 吸熱盒內(nèi)流動特性

圖中所示的流體區(qū)域的底面，代表了真實的電腦環(huán)境中的主板，關(guān)于散熱器材料的選材問題，因其設(shè)計結(jié)構(gòu)的獨特性，很難用多種介質(zhì)混合進行使用，因此我們在銅和鋁兩種較好的散熱材料中選擇了鋁作為原材料，這也是傳統(tǒng)的散熱器的首選設(shè)計材料。

在進口速度方面，用軟件中的速度函數(shù)（垂直向下）來賦予入風口速度（參考出風口速度3m/s來設(shè)置），如下圖4-4所示：

圖4-4 CPU 速度場分布特性

進口的溫度我們參考日常機箱在一個大氣壓環(huán)境下的適宜溫度，選定為295K，同樣的將外圍的環(huán)境也參考一個大氣壓下的295K的溫度數(shù)值進行設(shè)定。湍流動能K取平均數(shù)值0.56，出口邊界的條件同入口邊界外圍環(huán)境一致。

對于固體壁邊界條件來說，其需要考慮流體和固體耦合換熱問題，因此需要從三種情況分別進行考慮：

（1）因熱量是由散熱器底面?zhèn)魅氲缴岷兄?，因此將該底面與CPU接觸的平面部分定義為熱源。

（2）在散熱器與流通區(qū)域的一些壁面中，有部分壁面對對流換熱和導熱影響很小或者幾乎沒影響的，我們可以將其認定為絕熱壁面。

（3）與絕熱壁面相對應(yīng)的導熱壁面來說，他們的邊界參數(shù)的設(shè)定可以按照軟件中自帶的壁面函數(shù)來進行設(shè)定，將熱阻數(shù)值設(shè)置為0，這樣就可以使熱量在固體與流體固體與固體之間順利傳遞。

對于切片來說，其所處位置正好位于散熱器端面的上邊界附近，此處正好是流體介質(zhì)與散熱器剛接觸的位置，這就導致了回流現(xiàn)象的產(chǎn)生，由回流現(xiàn)象可導致湍流情況的出現(xiàn)，相對來說就比較復雜，在湍流空間內(nèi)，流體的流動速度最大可達8m/s，而在散熱器邊緣速度則降到接近于0的速度，由散熱器端面到散熱器邊緣的過程中，隨著z值得減小，流速逐漸趨于穩(wěn)定到4-5m/s的速度，這就導致散熱器出口處流量不斷的變大，進而導致散熱片上的溫度被流體介質(zhì)逐漸帶走。但從另一個角度上來說，隨著z值的不斷減小，中心速度盲區(qū)的范圍也隨之越來越大，進而導致散熱器底部中心的流體速度為0，沒有流體速度則意味著沒有通量，那就意味著沒有流體與散熱器地步固體介質(zhì)之間的對流換熱，減弱了散熱效果。從圖中可以看出x=2.66面存在著三個低速低通量的區(qū)域，這就使得散熱器不能得到充分的利用，使散熱效果變差。

4.3.4.2 不同工況下溫度場分析

下面給出了溫度分布云圖，分別為散熱器中心處的x=1.23cm，x=3.69cm的在309K到330K之間的溫度分布圖，因為散熱器的對稱性，由這2個圖我們就能推測出整個散熱器的溫度分布。

從x=1.23cm圖中，我們可以看出，因是與CPU直接接觸，所以在散熱器底部溫度最高為330K，即CPU的表面溫度。然后溫度向四周慢慢擴散減小，但最低溫度還是高于309K。從x=3.69cm圖可以看出，整個肋片的溫度要比x=1.23cm的低，且最高溫度只在320K左右，最低溫度已經(jīng)低于309K。而隨著x值的增加，溫度隨之減小，總體溫度低于315K，大部分已經(jīng)低于309K。

表4-1是溫度大小分布表，從中可以看出，整個計算區(qū)域溫度集中在300K到315K。

圖4-7到圖4-9分別給出了CUP能量場、能量矢量以及速度場的場分布圖，在該圖中我們可以清楚地看到有部分區(qū)域根本沒有與流體進行流動散熱交換，也就是沒有進行固體與流體的耦合散熱。同時由于Z值的不斷減小，流體流速也慢慢趨于平穩(wěn)，并且沿著肋片的導流向兩側(cè)進行延伸。散熱器地步由對流和回流作用產(chǎn)生的低速區(qū)正好是與散熱器直接進行接觸的區(qū)域，這一塊區(qū)域的散熱效果是最差的。

在散熱器內(nèi)部，速度主要分布在1m/s到7m/s，主要分布如下表4-2所示。

散熱器吸收CPU所發(fā)出熱量的能力稱為吸熱能力。從材料固定參數(shù)等方面去比較，其中，鋁的定壓比熱為Cp=871J/（kg·k），銅的定壓比熱為Cp=381J/（kg·k），金屬鋁的定壓比熱要要遠高于銅的，但是銅介質(zhì)比鋁介質(zhì)的密度要大，有密度和定壓比熱可得出，單位體積的銅和鋁來說，銅要比鋁可以存儲更多的熱量，通過比較鋁單質(zhì)散熱器和銅鋁合制的散熱器來看，鋁平直型散熱器在儲熱能力上就比另一個為銅鋁合制的散熱器要差。

參考文獻：

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耿德軍.胡艷.CPU散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]，沈陽理工大學學報，2011，30（1）：82-85.

作者簡介：

陳慶，出生于19940720，性別男，籍貫，貴州威寧。專業(yè)，電氣工程學院能源與動力工程。

（作者單位：貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州大學電氣工程學院）