基于Fluent 的水冷散熱器特性研究

張記楊，張澤

（550025 貴州省 貴陽(yáng)市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著技術(shù)及設(shè)備的加速升級(jí)，處理器（CPU）頻率不斷提高，電子設(shè)備的效率和速度每年都顯著提升。這會(huì)導(dǎo)致更大的電力消耗，增加熱量排放，進(jìn)而縮短產(chǎn)品生命周期或損壞CPU，使用散熱器冷卻CPU 是目前最有效的方法之一。傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱方式的散熱能力有限，水冷散熱器可以突破風(fēng)冷散熱的極限，具有更高的散熱能力[1-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水冷散熱器進(jìn)行了大量研究。王金龍等[7]為了增強(qiáng) CPU 水冷散熱器的散熱能力、提高其散熱的均勻程度，對(duì)銅基CPU 水冷散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口數(shù)量越多，CPU 溫度分布越均勻，散熱能力也越強(qiáng)；Yan 等[8]模擬了圓形雙層散熱結(jié)構(gòu)，以不同方式引導(dǎo)流體流過(guò)散熱器。研究表明，隨著流速和通道長(zhǎng)度的增加，散熱的壓力損失逐漸增加，但散熱效果更好；Sung 等[9-10]對(duì)微通道散熱器進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和射流沖擊數(shù)值研究，研究了多個(gè)單射流槽以及兩相和單相傳熱；Lelea 等[11]優(yōu)化了具有直圓形微通道的切向微散熱器的幾何形狀，結(jié)果表明，入口通道的橫截面為矩形、與管軸相切，達(dá)到了較好的效果。

以上研究發(fā)現(xiàn)，可以考慮從增加與液體的接觸面積和流體紊亂程度2 個(gè)方面設(shè)計(jì)水冷散熱器?；谶@兩個(gè)方面，本文設(shè)計(jì)了一種圓盤(pán)形散熱結(jié)構(gòu)，研究其散熱特性，考慮到能源消耗，除了傳熱外，還需要研究壓力損失。本文主要評(píng)估了2 種模式（模式1 為滯后分流端，模式2 為提前分流端）在不同雷諾數(shù)下散熱結(jié)構(gòu)的CPU 平均溫度、熱阻值、壓降以及對(duì)流換熱系數(shù)。本研究可為電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型的建立

該微型散熱器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1 所示，材質(zhì)為鋁。下方為CPU 板，尺寸為40 mm×40 mm×5 mm，材質(zhì)為銅。CPU底面設(shè)熱通量為100 W（6 250 W/m2），尺寸如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)分為2 種工作模式，模式1 為B 面入口，A 面為出口；模式2 為A 面為入口，B 面為出口。

圖1 CPU 散熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of CPU radiator

2 仿真設(shè)定

2.1 控制方程

本文基于Fluent 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，假設(shè)流體為不可壓縮流體，控制方程包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程，分別為

式中：ρ——密度；k——導(dǎo)熱系數(shù)；μ——粘度；cP——比熱容；V——速度；T——溫度；P——壓力；eff——有效值。

2.2 邊界條件與計(jì)算方法的設(shè)定

入口邊界為速度入口，根據(jù)式（4）得到不同雷諾數(shù)對(duì)應(yīng)的速度值，入口溫度為26.5 ℃，出口邊界壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，CPU 底面設(shè)熱通量100 W（6 250 W/m2），壁面設(shè)定為無(wú)滑移壁面，采用SIMPLE 算法進(jìn)行求解。

式中：v、ρ、μ——流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d——特征長(zhǎng)度。

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

選擇了4 種網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，由表1 仿真數(shù)據(jù)可知，在相同工況下，網(wǎng)格數(shù)變化對(duì)壓降的作用比較明顯。網(wǎng)格數(shù)到達(dá)250 383 以后，網(wǎng)格數(shù)變化對(duì)精度的提高作用不明顯，同時(shí)由圖2可見(jiàn)，CPU 平均溫度的變化也趨于穩(wěn)定。綜合考慮，為節(jié)省計(jì)算資源且達(dá)到理想精度，采用網(wǎng)格數(shù)為250 383 進(jìn)行仿真分析。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.1 Grid independence validation

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Verification of grid independence

2.4 數(shù)據(jù)規(guī)約

熱阻R值[12-13]可作為定量評(píng)估散熱器的冷卻性能的指標(biāo)，R值可由式（5）求得。

式中：TCPU——CPU 的平均溫度；Tin——散熱器入口的流體溫度。

R值越小，說(shuō)明液體內(nèi)部和CPU 能夠更好的熱交換，使CPU 平均溫度更低。為了更好地說(shuō)明問(wèn)題，本文引入對(duì)流換熱系數(shù)h，h可由式（6）求得。

式中：Tout——出口溫度值。

3 結(jié)果與討論

模式2 不同雷諾數(shù)下的溫度云圖如圖3 所示，可見(jiàn)，隨著雷諾數(shù)的增加，CPU 的整體溫度變得更加均勻，且高溫區(qū)逐漸下移，從整體上看，散熱效果也變得更好。實(shí)際上，速度的增加會(huì)提高速度和溫度梯度，從而增強(qiáng)傳熱，使得高溫區(qū)下移。

圖3 模式2 雷諾數(shù)500～2 000 結(jié)構(gòu)的溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of Re=500～2 000 structure in mode 2

圖4、圖5 是雷諾數(shù)為3 000 條件下模式1 和模式2 的速度矢量圖，可以清楚地看到流體質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)路徑和速度分布。在扭曲的地方流速增加，且模式1 最大速度集中在終點(diǎn)處，而模式2 集中在交匯處，接觸面積大的地方模式2 速度更大，邊界層更薄，能更好地散熱[14]。

圖4 模式1 雷諾數(shù)為3 000 時(shí)的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of Re=3 000 in mode 1

圖5 模式2 雷諾數(shù)為3000 時(shí)的速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of Re=3 000 in mode 2

圖6 描述了2 種模式不同雷諾數(shù)下散熱器的對(duì)流換熱系數(shù)的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)流換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而增大，增長(zhǎng)趨近于線(xiàn)性，模式2 的換熱系數(shù)優(yōu)于模式1。雷諾數(shù)從500 到3 000，模式1 的對(duì)流換熱系數(shù)提升了58.96%，模式2 提升了 58.57%。雷諾數(shù)的增加意味著速度也在增加，使得邊界層厚度減小，從而提高了導(dǎo)熱系數(shù)。

圖6 不同雷諾數(shù)下模式1 和模式2 的對(duì)流換熱系數(shù)Fig.6 Convection heat transfer coefficients of mode 1 and mode 2 at different Re

圖7 描述了2 種模式不同雷諾數(shù)下CPU 的平均溫度變化，隨著雷諾數(shù)的增加，CPU 平均溫度有所降低。且模式2 的穩(wěn)態(tài)溫度一直比模式1 低。雷諾數(shù)從500 到3 000，模式1 的整體CPU 溫度降低了1.25%，模式2 降低了1.26%。這是因?yàn)槟Ｊ?，在入口之后很短時(shí)間內(nèi)就進(jìn)行了分流，使得液體與散熱器的接觸面積增大，從而增強(qiáng)了散熱效果，模式1 則是流體剛進(jìn)入散熱器需要經(jīng)歷一段時(shí)間的流動(dòng)，才進(jìn)行分流，使得較冷的液體沒(méi)有充分接觸，導(dǎo)致散熱效果有所減弱。

圖7 不同雷諾數(shù)下模式1 和模式2 的CPU 平均溫度Fig.7 CPU average temperature of mode 1 and mode 2 at different Re

圖8 描述了2 種工作模式下壓降與雷諾數(shù)的關(guān)系。一方面雷諾數(shù)的增加使得壓降增加，且雷諾數(shù)越大，該效果越明顯，表明速度和壓降之間存在直接關(guān)系；另一方面，模式2 比模式1 的壓降更低，比如在Re=3 000 的工況下，模式2 比模式1 壓降降低了約9.93%，這是非常可觀的，也是因?yàn)槟Ｊ? 更快地分流導(dǎo)致的。

圖8 不同雷諾數(shù)下模式1 和模式2 的壓降Fig.8 Pressure drop of mode 1 and mode 2 at different Re

圖9 描述了2 種工作模式下熱阻值與雷諾數(shù)的關(guān)系。熱阻是設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵參數(shù)。由圖9 可以看出，該散熱器的熱阻非常小。一方面雷諾數(shù)的增加降低了熱阻；另一方面，模式2 的熱阻值也低于模式1。綜合以上分析，模式2 的散熱效果明顯優(yōu)于模式1 的。

圖9 不同雷諾數(shù)下模式1 和模式2 的熱阻值Fig.9 Thermal resistance of mode 1 and mode 2 at different Re

4 結(jié)論

對(duì)圓盤(pán)散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了2 種模式下雷諾數(shù)對(duì)其穩(wěn)態(tài)特性的影響,主要結(jié)論如下：

（1）該散熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)PU 平均溫度穩(wěn)定在27.7 ℃以?xún)?nèi)，達(dá)到較好的散熱效果。（2）2 種模式對(duì)流換熱系數(shù)都隨雷諾數(shù)的增加而增加。雷諾數(shù)從500 到3 000，模式1 的對(duì)流換熱系數(shù)提升了58.96%，模式2 提升了 58.57%。（3）隨著雷諾數(shù)的增加，CPU 的溫度分布更加均勻并且更低，熱阻值也更低。（4）隨著雷諾數(shù)的增加，壓降越來(lái)越大，且模式2 的壓降比模式1 的更低，比如在雷諾數(shù)為3 000 的工況下，模式2 比模式1 壓降降低了約9.93%，這是非?？捎^的。

本文從數(shù)值模擬角度證明了該散熱器能夠達(dá)到良好的散熱效果，也間接證明了水冷散熱器提前分流能夠增加換熱能力，為散熱器設(shè)計(jì)提供了一種新思路。