基于FLUENT臺式電腦cpu散熱器散熱分析

【摘 要】在科技高速發展的今天，計算機工業也在飛速進步，從而計算機在運行速度方面有了質的飛躍。在高速發展的同時，也帶來了弊端，特別是電腦的發熱量越來越高。在正常情況下，為了使得電腦的內部溫度不至于過高，需要給電腦配備專用的降溫系統來保障其正常的運行工作。本文為CPU散熱器的數值模擬介紹，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值模擬，并完成相應的分析。

【關鍵詞】散熱器；流場；溫度場；CPU

在CPU散熱領域內，越來越多的新技術被研發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的蒸發與凝結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）、依據實體建立相同幾何尺寸的模型，并使用畫網格軟件進行網格劃分。

2）、檢查生成的網格質量并導出網格文件；

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，傳熱傳質模型、組分或反應模型等。

5）、選擇流體物性材料參數；

6）、指定邊界條件；

7）、條件計算控制參數；

8）、流場初始化；

9）、計算；

10）、檢查結果；

11）、數值模擬結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，計算域內介質材料的類型選擇。并依據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的選擇以及對所選方程的計算求解。通過調試并修改相應的參數、改進計算方法，設置殘差標準來使得計算結果的最終收斂。

（11）為后處理過程，將通過自帶的后處理功能或者專業的后處理軟件來對數值模擬的結果進行相關處理。可以得到一些切面的參數分布云圖，也可以在流場中提取相應的數據來最終對模擬結果進行分析。

4.1.2邊界條件建立

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

1、進出口的邊界條件參數；

2、外壁面及對稱壁面以及其運轉的周期軸；

3、內部物體的表面邊界。如散熱器、風扇等；

內部表面邊界條件與各物體的表面相關，用以補充說明相關散熱物體如排氣扇、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工程經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格技術來加快計算收斂的速度，該軟件通過智能的結構化非結構化網格判斷適應技術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境和物理介質，從而使得常見的傳熱與相變、多相流、變形網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格模型功能，其中的動網格模型可以實現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是針對暖通空調領域的氣流、溫濕度等參數的數值模擬軟件。

除FLUENT外，常用的CFD軟件還有多用于旋轉機械的軟件，例如CFX。專業的多相流求解軟件—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境中，通常的CPU的吸熱盒設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，然后按照預定的流通方向進行流動，在流動的同時，處理器所散發的熱量會隨著空氣流被帶走，從而導致CPU盒內（包含CPU）溫度的降低。

圖4-1 CPU吸熱盒結構圖

在該實驗中，我們實際設計使用的吸熱盒的尺寸如下表所示：

表4-1 模型尺寸參數表

在實際應用中最常見的典型散熱器是平直型散熱器，這種散熱器的優點是空間連貫，鱗片間距均勻規律，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，排列順序也有規律，因此可以在流水線上大量的生產出來。該種散熱器的吸熱口與底部的肋片呈垂直結構分布，空氣在從吸熱口進入后從側面流出，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生產廠商的肯定。

平直型散熱器的主要尺寸參數如下：

底板：設計厚度為0.7cm，平面尺寸為10*10cm；

肋片：數量為25片；單片高度為6cm，厚度為0.16cm，長度：10cm；

流體區域：將附近0.5cm范圍內的區域規劃為流體區域的邊界范圍。

4.3.2 網格化分

接著就是進行網格區域的劃分，根據Fluent軟件的特點，擬選用TGrid非結構化網格劃分方法對該模型進行進行劃分，根據實際需求需要分別劃分出固體網格和流體網格。其中固體網格節點的比率我們取值為1，流體網格的節點比率我們取值為0.7，由此可計算出整個區域的網格總數大約為40萬。網格劃分示意圖如下圖所示：

圖4-2 CPU網格劃分

4.3.3參數設定與計算方法

（1）邊界條件的設定：將流體入口的位置設置為速度的入口邊界，用標準K-ε模型來計算出入口規格的參數數值用以計算，將流體的出口設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，流體材料我們選用水作為介質。

（2）相關參數：

根據實驗室環境數據，將入口速度分別選定以下幾個數值來進行測試：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，固體內壁面粗糙度取值定義為0.5，熱源的供應方式及參數為：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，因此在本設計中選擇忽略。為使實驗結果準確，特增加了粘性生成熱的計算，另外由于重力對流體介質的影響，根據實驗位置選用g為9.8078m/ s2。

4.3.4模擬分析

4.3.4.1 內部流場流動分析

數值模擬了CPU 吸熱盒模型換熱特性以及內部流體介質的特性。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，在這個區間的速度范圍內，根據軟件模擬計算顯示，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，因此模擬結果會有一定的誤差，但該誤差在允許的范圍內，經過計算各參數誤差，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的熱流動和換熱特性數值與實驗結果幾乎是完全吻合。

圖4-3 CPU 吸熱盒內流動特性

圖中所示的流體區域的底面，代表了真實的電腦環境中的主板，關于散熱器材料的選材問題，因其設計結構的獨特性，很難用多種介質混合進行使用，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，這也是傳統的散熱器的首選設計材料。

在進口速度方面，用軟件中的速度函數（垂直向下）來賦予入風口速度（參考出風口速度3m/s來設置），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境下的適宜溫度，選定為295K，同樣的將外圍的環境也參考一個大氣壓下的295K的溫度數值進行設定。湍流動能K取平均數值0.56，出口邊界的條件同入口邊界外圍環境一致。

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傳入到散熱盒中，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）與絕熱壁面相對應的導熱壁面來說，他們的邊界參數的設定可以按照軟件中自帶的壁面函數來進行設定，將熱阻數值設置為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與散熱器剛接觸的位置，這就導致了回流現象的產生，由回流現象可導致湍流情況的出現，相對來說就比較復雜，在湍流空間內，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，并且沿著肋片的導流向兩側進行延伸。散熱器地步由對流和回流作用產生的低速區正好是與散熱器直接進行接觸的區域，這一塊區域的散熱效果是最差的。

在散熱器內部，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所發出熱量的能力稱為吸熱能力。從材料固定參數等方面去比較，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，但是銅介質比鋁介質的密度要大，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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[2].王文豪，潘政宏，蔣潤花，等.CPU散熱器的優化設計及數值模擬[J].電子測試，2017（15）.

耿德軍.胡艷.CPU散熱片結構設計[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，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貴州大學電氣工程學院）