封閉機箱冷卻流場的熱優化設計

黃延平 曹國華 王淑坤

(長春理工大學機電工程學院,吉林 長春 130022)

封閉機箱冷卻流場的熱優化設計

黃延平 曹國華 王淑坤

(長春理工大學機電工程學院,吉林 長春 130022)

機箱的散熱能力不僅會影響計算機的計算速度,也會影響各元器件的使用壽命。為了提高計算機封閉機箱的散熱能力,依據湍流理論,建立了機箱冷卻流場數學模型,并采用Icepak電子熱設計專用軟件對排風和進風方式進行了仿真優化。通過分析比較封閉機箱內電子元器件的溫度、熱流速度曲線、風流動軌跡圖,獲得了較為理想的溫度場的冷卻方式。優化結果表明,該優化方案實用、簡單、準確,機箱散熱效果好,為電子產品熱設計提供了一個較為理想的熱分析方法。

機箱散熱 層流 湍流 優化 零方程模型 熱分析

0 引言

現代生產生活從各方面都進入數字化階段,電子芯片進入了各個領域,如飛機導航、宇宙飛船對接、數字化洗衣機、電飯鍋、銀行卡、公交卡、門卡等。2012年中國進口的集成電路芯片價值1 920億美元,這一數字超過了進口石油的1 200億美元。據美國空軍航空電子整體研究項目成果(US Air Force Avionics Integrity Program)表明,溫度是影響元器件可靠性的主要因素。電子設備的運行實踐也表明,隨著溫度的增加,元器件的失效率呈指數增長,這在不同程度上降低了電子設備的可靠性。另外,封裝后的機身散熱問題也是人們自始至終都在關注的問題。對于筆記本電腦來說,如果使用者手掌與手腕接觸區域的溫度過高,會令人產生不適的感覺,甚至是煩躁。因此,消費者在購買計算機時,散熱能力已經成為重要指標之一,它不但影響計算機的運算速度,還會影響計算機的使用壽命。但是對電子產品系統溫度的控制,一方面是由電子產品本身的制造工藝所決定,另一方面廠商在板型布局和風道上的設計同樣也會影響系統表面的溫度。由于計算機機箱內芯片等封裝體是處在位移(應力應變)場、電磁場、溫度場、流場等多場耦合下工作,各種零件的溫度、壽命和損傷主要是由于電子元器件溫度過高所造成的熱疲勞破壞。ANSYS Icepak軟件組合了高級求解技術和健壯的網格功能,從而為電子產品的冷卻提供快速、精確的熱分析結果[1]。本文基于湍流理論,利用ANSYS Icepak電子熱設計專用軟件對封閉計算機機箱進行了流場的優化設計,并利用仿真軟件模擬真實工作環境的優勢,對封裝體內金屬導線進行了熱電耦合場熱力學分析,為電子產品的封裝設計提供了理論依據[2]。

1 風冷卻流場的湍流數學模型

計算機機箱流場的數學模型主要由2部分組成,一部分是在風扇附近的層流場;另一部分是風遇到電子元器件后,風向發生復雜的變化,基本符合湍流流動的模型。由于機箱狹小,湍流流動是主要部分。在層流邊界層中,流體運動極為規則,并能識別流體質點運動的流線。這種極為規則的行為會一直持續到過渡區,在這個區中發生從層流向湍流的轉變。過渡區中的狀態隨時間而變化,流動有時展現層流的狀態,有時表現出湍流的特征。從根本上說,層流向湍流的過渡是由觸發機制引起的,它們可以是流體中自然產生的非穩定流動結構之間的相互作用,也可以是存在于很多典型的邊界層中的小的擾動。

目前常用的求解湍流流動的模型有3個,分別為零方程模型(混合長度模型)、兩方程模型(標準k-ε模型)、重整化群(renormalization group,RNG)k-ε模型。兩方程模型(標準k-ε模型)遠比零方程模型復雜,卻是最簡單的“復雜湍流模型”。標準k-ε模型只需求解湍動能及其擴散率的兩個相互獨立的傳輸方程即可。標準k-ε模型也是ANSYS Icepak中流動設計中應用最為廣泛的湍流模型。對于相當范圍的湍流流動,標準k-ε模型計算的魯棒性、經濟性以及適當的精確度,使其在湍流流動與傳熱的仿真計算中應用廣泛[3]。

1.1 標準k-ε的湍流方程

標準k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程如下。

k方程:

ε方程:

在ANSYS Icepak中,默認值常數有:C1ε=1.44、C2ε=1.92、Cμ=0.09,湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數分別為σk=1.0、σε=1.3。這些常數可以通過改變“黏性模型”面板來調整。這些經驗常數適用于空氣與水的基本湍流,包括均勻剪切流動及衰減的各向同性湍流。它們對于較寬范圍的壁面耦合流動以及自由剪切流動適應性很好。

1.2 逆效應普朗特數

逆效應普朗特數的RNG理論分析得到如下方程:

式中:α0=1。

在高雷諾數流動問題中,μmol/μeff＜＜1,αk=αε= 1.393。

1.3 k-ε模型中對流傳熱的模擬

在ANSYS Icepak中,對湍流傳熱的模擬是將雷諾分析概念應用于湍流動量方程,將熱量傳輸與動量傳輸相類比而得到的。“模擬”出的傳熱方程如下。

在ANSYS Icepak中,用雷諾相似湍流輸運的概念來模擬熱輸運過程。得到的能量方程為:

式中:E為總能量;(τij)eff為偏應力張量。(τij)eff定義為:

式中:(τij)eff表示黏性加熱,通過耦合求解。

如果默認為分別計算,則ANSYS Icepak不求解(τij)eff。但是可以調整“黏性模型”面板上的湍流普朗特數值(Prt),它的默認值為0.85。

湍流質量輸運與熱輸運類似,默認的Schmidt數為0.7。該值同樣也可以在“黏性模型”面板上調整。標量壁面的計算與動量壁面計算相似。

α隨μmol/μeff變化,是RNG k-ε模型的優勢。湍流普朗特數Prt隨(分子)普朗特數Prt以及湍流狀態而變化,這與經驗相一致。方程(3)對于較寬范圍的(分子)普朗特數都適用,如液態金屬(Prt≈10-2)到石蠟(Prt≈103),可以應用于低雷諾數區域的傳熱計算。方程(3)能很好地預測有效普朗特數的變化,從分子黏性占主導的區域(α=Prt)到充分發展的湍流流動區域(α=1.393)[4]。

2 計算機機箱溫度仿真優化過程

2.1 建模

計算機機箱仿真模型由散熱器、芯片封裝、電容擋風塊、風扇、排風口等零件組成,如圖1所示。

圖1 計算機機箱模型Fig.1 Model of computer chassis

機箱內每個零件都賦予了材料的物理屬性,如材料種類、密度、導熱系數、比熱、熱膨脹系數等,這樣熱仿真的結果能夠更接近真實情況。使用ANSYS Icepak優化設計模塊,可對機箱散熱的排風口和進風口設置進行優化。

根據常規設計,排風口和進風口有4種組合方式,其組合方式如圖2所示。

圖2 4種組合方式的風流動軌跡Fig.2 The wind flow trajectories of four combinations

在運算求解前,把進風口和排風口的坐標位置參數賦給仿真模型。ANSYS Icepak軟件自動優化功能很強,能夠進行最合理的優化計算,并求出每種組合的溫度、風速、熱流量等結果,為確定最優設計方案提供真實仿真數據[5-7]。

2.2 優化約束條件及目標

為了滿足機箱的功能要求,熱分析優化設計的時候必須滿足3個條件,即每個零件發熱功率不能改變;機箱和電子元器件尺寸大小不能改變;電氣元件之間的距離不變。因此,選擇上述3個條件作為優化的約束條件,對機箱溫度場進行優化設計。優化設計的目標是:使機箱溫度最低,各個零部件之間溫度差最小。根據建模過程分析,機箱發熱電子器件共5個:芯片1、芯片2、芯片3和2個存儲卡。該機箱散熱方式有兩種,一種是靠兩個鋁合金散熱器散熱;另一種是靠排風扇,強制冷卻。

鋁合金散熱器散熱的效果和它的材質、體積、表面積有關,這里不予討論。在此主要探討排風口和風扇最佳組合位置,實現溫度低、溫差小的優化目標。該仿真模型所施加的載荷為:3個芯片都是5 W;2個儲存卡是1 W;風扇的排風量定為28.318 5 L/min;求解的迭代次數為100次;收斂的能量殘差設置為1e-7。

3 計算結果與分析

3.1 機箱溫度和熱流速度分析

機箱各組件的溫度如表1所示。

表1 各電子元器件溫度數據表Tab.1 Temperature data of various electronic components ℃

4種組合方式下的機箱熱流速度曲線如圖3所示。

圖3 4種組合方式下的機箱熱流速度曲線Fig.3 Curves of four combinations heat velocity

從機箱溫度分布上來看,風扇和排風口組合有4種組合。其中,第一種和第二種組合,機箱溫度比較高,有的電子元器件的最高溫度都可以達到70～80℃,且電子元器件之間的溫度差別很大,最低與最高溫度相差高達近50 K,這是熱設計里最忌諱的,會造成封裝體翹曲變形量會很大、芯片開裂破損、金屬導線短路、發錯信號、計算機死機等嚴重事故。從熱流速度分布圖上看,第一種組合、第二種組合、第四種組合機箱內的熱流曲線不連續,有劇烈的起伏,證明這3個位置組合中,機箱溫度場分布不均勻,機箱內溫度高低差別很大。第三種組合熱流速度曲線最為流暢,連續性好,沒有劇烈的起伏。所以,根據機箱溫度和熱流速度分析的結果,第三種組合位置比較合理。

3.2 機箱內風流動軌跡分析

ANSYS Icepak軟件可以進行風流動軌跡仿真,用戶可以很直觀地了解冷卻風的流動走向,幫助設計者判斷仿真計算結果是否和工程實際相吻合,有利于確定更優的設計方案。對機箱進行風流動軌跡分析的結果如圖2所示。

排風口和進風口共有4種組合,從機箱內風流動軌跡中可以看到,第一種組合、第二種組合、第四種組合,機箱內風的流動軌跡都是在機箱里打轉,都有圓圈狀盤旋,從排風口帶走的熱量很少,冷卻效果不好,第三種組合機箱內的風流動軌跡接近線型,冷卻效果最佳。第三種組合風流動的軌跡即是我們最后選擇的優化組合,這和計算的結果一致。

3.3 電子元件溫度分布情況分析

表1所示為機箱內每個電子元器件的溫度,這為PCB板上電子元件的布局提供依據。設計機箱時應該把發熱高的零件放在冷卻條件好的位置,避免將其放在死角,從而使其迅速降溫,避免熱應力造成的破壞,提高電子設備的可靠性。

根據每個電子元件溫度,還可以根據它承受高溫、高熱的能力,給予適當的布局調整,這樣使其在更合適的環境溫度下工作。設計者也可以根據表中提供的數據,預測每個電子元件乃至機箱的使用壽命,判斷該設計是否需要調整,能否到達設計要求。

4 結論

計算機的關鍵性能指標主要有運算速度、散熱能力、電池的續航能力等。其中散熱能力是重要指標之一,所以計算機的溫度控制和散熱都要做出廠測試,其散熱能力測試的數據作為評價計算機性能好壞的重要指標。本文基于湍流理論對封閉機箱冷卻流場的優化設計,可以把封閉計算機機箱的溫度分布進行有效控制,不僅提高了計算機的散熱能力,為計算機的熱設計提供了一個便捷高效的實用方法,也為其他電子產品的溫度場仿真優化分析提供了依據。本文的主要研究結果如下。

①利用湍流理論建立了機箱冷卻流場數學模型,采用Icepak電子熱設計專用軟件對流場進行仿真和優化分析[8-9]。在保證每個零件發熱功率不變、機箱和電子元器件尺寸大小不變、電氣元件之間距離不變的條件下,對不同散熱方式組合的機箱溫度場進行優化設計。優化結果表明,同樣的機箱條件,溫度最大降幅可達50 K。

②利用專業的電子熱分析Icepak軟件,對系統級(機箱、機柜等)進行分析和優化,不僅可以得到系統的溫度和熱流速度曲線,以及系統內電子元器件的溫度分布情況,而且可以直觀地看到封閉系統內的風流動軌跡,為電子產品的封裝和散熱系統設計提供理論依據。這種分析方法可以大幅度提高產品的一次性成功率、改善電子產品的性能、提高產品可靠性、縮短產品的設計時間[10]。

5 結束語

依據湍流理論,在建立的兩方程數學模型基礎上,使用Icepak電子熱設計專用軟件對機箱冷卻流場進行了熱設計優化。在機箱體積不變、各組件發熱功率不變、冷卻方法不變的情況下,比較了4種熱設計方案,并選出了最為合理的設計方法。從幾個方案計算的結果可知,溫差相差很大,因此,說明了對機箱、機柜等電子設備熱設計時,必須要進行散熱方式優化,提高這類電子產品的散熱能力。這是保證計算機等產品的運算速度和延長使用壽命的關鍵。

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Thermal Optimized Design of the Cooling Flow Field for Enclosed Chassis

The heat dissipation capability of the chassis not only affects the operation speed of the computer,but also affects the life cycle of various components.In order to improve the heat dissipation capability of the enclosed chassis,based on turbulence theory the mathematical model of cooling flow field of the chassis is established.In addition,the simulation optimization is conducted for exhaust and air intake mode by adopting Icepak dedicated electronics thermal design software.Through analyzing and comparing the temperature,heat flux curve,airflow trajectory of electronic components inside chassis,the ideal cooling mode for temperature field is obtained.The result of optimization shows that this strategy is practicable,simple,and accurate for heat dissipation of the chassis.It provides ideal thermal analysis method for thermal design of electronic products.

Chassis heat dissipation Laminar flow Turbulence Optimization Zero equation model Thremal analysis

TH702

A

吉林省科技發展基金資助項目(編號:20100522)。

修改稿收到日期:2014-04-06。

黃延平(1968-),男,1986年畢業于吉林大學材料專業,獲學士學位,教授;主要從事電子封裝的研究。