計算機水冷系統散熱器的數值模擬及結構優化研究

摘?要：本文對某公司應用于計算機水冷散熱系統的管帶式交叉流散熱器進行性能測試和研究，采用數值模擬分析法，利用simulation CFD軟件對該散熱器3D模型的流場、溫度場、壓力場和不同邊界條件下進行數值模擬，將分析結果進行可視化處理，分析得出散熱器的最佳工況點;并據此利用Pro/E三維設計軟件對散熱器3D模型的局部結構進行調整和優化，得出散熱器優化前、后的性能參數。比較結果發現，優化后的散熱器優于原設計散熱器的散熱性能。

關鍵詞：計算機水冷系統;管帶式交叉流散熱器;CFD;結構優化;數值模擬

Computer Numerical Simulation of Water Cooling System Radiator and Structure Optimization Research

Li Zhuoxi

CHINA ENERGY ENGINEERING GROUP GUANG DONG POWER ENGINEERING CO.，LTD?GuangdongGuangzhou?510735

Abstract：In this paper，the performance test and research of the Tubular-Belt cross-flow radiator used in the computer water-cooled radiation system of a company are carried out，using the method of numerical simulation，and using the simulation of CFD software to the radiator 3D model of flow field，temperature field，pressure field and different boundary conditions to carry on the numerical simulation，the analysis results are visual processing and data analysis;And on the basis of use of Pro/E 3D design software for radiator 3D model of the local structure adjustment and optimization，before and after optimization in the radiator performance parameters are obtained.The comparison results show that the optimized radiator is superior to the heat dissipation performance of the original radiator.

Key words：Computer water-cooling system;Pipe and belt type cross flow radiator;CFD;Structure optimization;Numerical simulation

1 緒論

隨著計算機和電路集成技術的不斷發展，當前數據中心服務器和計算機的使用性能也不斷增強。散熱問題已經成為計算機芯片開發研制中的瓶頸，它直接影響芯片的性能、使用壽命和生產成本。有效地傳遞芯片發出的熱量，使芯片在規定的溫度極限內工作，這在當今隨著 CPU集成度越來越大是極為重要的。[1]管帶式水冷散熱器具有重量輕、結構緊湊、散熱性能好、使用壽命長等優點，已在國內外廣泛應用。[2]

通過三維數值模擬的方法，對百葉窗翅片的傳熱和冷卻空氣的對流換熱進行耦合，分析了百葉窗翅片的幾何參數對散熱器性能的影響，百葉窗角度為27°，百葉窗間距和翅片間距的比值為1.25時，具有較好的傳熱性能和綜合性能[3];阻力損失主要集中在空氣進入百葉窗的入口區域，百葉窗的前端傳熱效果較好。[1]

2 物理模型的建立及數值模擬分析

數值模擬分析的目的是通過模擬分析得出散熱器的流阻特性和傳熱特性，為優化產品提供數據依據。管帶式散熱器的主要散熱結構為體芯部分，根據文獻[5]，帶百葉窗結構的管帶式體芯結構尺寸的影響因素主要有百葉窗開口尺寸A和B、開口角度β、翅片高度H、波距W、波峰數M、通道數N等。將這些參數定為設計變量：

X→=（A，B，β，H，W，M，N）n（1）

式中：n為設計變量個數。

根據設計要求，本文僅對百葉窗開口尺寸A和B、開口角度β這三個變量做調整優化，其它邊界條件有：送風速度Vz（送風量）、送風溫度Tz、進水流速Vs（進水流量）和進水溫度Ts，下文將對翅片結構、體芯單元結構和散熱器整體結構進行數學模型分析。

2.1 翅片結構的數學模型分析

管帶翅片的百葉窗結構復雜，本文對散熱翅片單獨進行結構分析并進行相應的簡化處理。實驗模型見圖1。

該風洞模擬實驗旨在分析百葉窗開口角度β、A和B尺寸對翅片的流阻特性和傳熱特性的影響，換熱介質為空氣，遵循范德瓦爾方程的變化規律。

（1）分析模型的變量值為開窗角度β，分別對10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°七個不同開角的模型進行模擬分析，選擇k-ε標準湍流模型，每一組進行三次模擬運算，一共七組，數據結果取平均值。

（2）為分析在不同邊界條件對百葉窗結構性能的影響，以開窗角度25°為例，設置進風速度從1～20 m/s進行不同的仿真分析。主要目的是得到不同風速對壓力降的影響。

（3）A和B的值分別為1.75mm和6mm，調整后的值為15mm和5.7mm，翅片結構開窗角度為25°。

2.2 體芯單元結構的數學模型分析

圖2為散熱器體芯單元的仿真分析模型，模型中管帶翅片的百葉窗開角為22°，結構調整后為25°，A和B調整后的值為1.5mm和5.7mm。該模型模擬分析體芯單元部分在結構調整前后溫度場和速度場的分布情況及傳熱特性和流阻特性，變量部分為模型的結構部分，仿真模擬分為調整前后兩組，選擇的邊界條件不變。邊界條件：空氣流速為5m/s，溫度為20℃，水流速度為0.47m/s，進水溫度70℃。網格劃分為混合網格結構，進行網格滑移處理。

2.3 散熱器整體數學模型分析

為了方便求解前處理和減少迭代計算步驟，現將模型中的非關鍵部位的圓角設置成直角，將側板部分剪除，管帶部分將波峰處的圓弧狀改為梯形狀，采用邊界層替換法[7]簡化百葉窗結構，如圖3所示。對散熱器整體的數值模擬分析，可得到流場和溫度場的分布情況。對模型不同的邊界條件進行模擬仿真，設置進風速度和進風溫度分別為5m/s和25℃，進水溫度為70℃，進水流量分別為0.5L/min、0.75 L/min、1.0 L/min、1.5 L/min、20 L/min、2.5 L/min共六組。

3 數值模擬分析結果與數據處理

在上一章中對數值模擬分析模型的建立和求解進行了介紹，經過計算機中迭代運算，得出收斂的仿真結果。結果為云圖、截圖、表格和曲線形式，經分析對比得出結論，最后與實驗結果相比較，驗證數值模擬的準確性和可靠性。

3.1 散熱器管帶百葉窗結構與空氣流速的影響

（1）如圖5為在空氣流速為5m/s下，不同開窗角的溫度場分布，分別得出10°～40°七個數值點的分析結果。隨著開角增大，對空氣的擾流作用也隨之增強，對邊界層的破壞能力也強。

在對不同百葉窗開角的模型風洞模擬分析中，改變開窗角度對模型的面積的影響可忽略不計。根據比熱容公式及牛頓冷卻公式可知，風洞進出口的溫差大小，即表現出模型的散熱狀況。已知進口溫度都為20℃，在模型中測量空氣出口的溫度即可得出傳熱溫差，表1為不同開窗角度下的空氣出口溫度和模擬風洞的壓力降數值。

（2）將表1中的出口溫度與壓降的平均值用坐標圖表示（圖5），空氣的出口溫度隨開窗角度的增大而增大，擬合曲線的拐點出現在25°，在25°以下，曲線為下凹形狀，在這階段中增大開角總是有利于改善傳熱效果的;當開角大于25°之后，，曲線為上凹形狀，隨著開角的繼續增大，影響作用力減小，傳熱效果的改善作用逐漸減弱，最后趨于一個穩定的狀態。壓降隨開窗角度的增大而增大，接近25°點時趨于平緩，曲線為上凹形狀。當開角繼續增大后，壓力降大幅上升，曲線為下凹形狀，說明壓力降隨著開角增大而急劇上升，能量損失則越大。

綜上所述，散熱器管帶翅片百葉結構的開窗角度的最佳值為25°，但考慮到加工工藝條件、技術的限制以及壓力損失和傳熱效果的綜合影響，開窗角度為23°～27°之間的綜合改善效果基本一致。

（3）以開窗角25°為例，對其進行不同空氣流速的仿真，得出壓力降隨空氣流速的數值，根據動能方程式Ek=12mV2，消耗的理比機械功與速度的平方的二分之一成正比，如表2所示：

利用Graph數值函數軟件將表2中的壓力降和理論比功耗的數值擬合成函數，得到壓力降和空氣流速的擬合函數為f（x）=0.4x2，擬合因數R2=1，即與二次函數的相似度為99.07%。比較結果發現壓力降和理論比功耗可能有著一定的比值關系。

上述表明，隨著空氣流速的增大，散熱器換熱量也就越大，但是換熱效率隨之下降，在選擇滿足換熱器的功率要求的空氣流速時，應考慮節能的問題。

（4）圖6為調整百葉窗結構A和B前后的溫度場分布截面圖，由兩圖對比可以看出，結構調整后翅片的溫度場分布要比調整前更加趨于均勻，當量的有效的散熱面積更大，數據結果表明管帶翅片得到更好的冷卻散熱效果。

3.2 散熱器體芯單元的數值模擬結果

圖7模型的溫度場分布情況。該體芯單元數值模擬結果數據表明，其他條件不變時，結構優化前的水側進出口溫差為0.743℃，散熱功率為23.7W，結構優化后的水側進出口溫差為0.917℃，散熱功率為29.3W，散熱性能提高23.6%。

3.3 整體散熱器的數值模擬分析結果

（1）圖8為散熱器的穩態分析的溫度場切片圖，從圖中可分析得出，由于中間的空氣擾流情況復雜，空氣經散熱器換熱后中間部分的空氣溫度明顯高于兩側的溫度，從中間向兩側的溫度逐漸降低。在整個空氣流域中溫度的等值面應為四面雙曲線錐形結構，散熱器前側的溫度低于后側的溫度。

（2）圖9為仿真分析的流場分布切片圖，從圖中可直觀得出空氣流經散熱器時的流動情況。空氣流經散熱器管帶翅片時受到阻力作用而減小，同時空氣的流動受到強烈干擾，增強了換熱效果。

（3）進水流量對散熱器散熱性能的影響。在定風量的情況下，選擇不同水流量對模型進行仿真分析，設定進水溫度為70℃恒溫進水，進水流量和模擬結果見表3。

將表3中數據整理到坐標圖中，如圖10為散熱器的進水流量和散熱量的關系，隨著水流量的增加，散熱器散熱量先增后減，在進水流量為1.0L/min時有極值，表明該散熱器在進水流量約為1.0L/min（溫度為70℃）的散熱性能為最佳工況值。圖中顯示了結果的模擬值和實驗值的對比關系，兩者的整體變化情況基本一致，說明數值模擬與實驗的吻合性。

4 結語

通過利用simulation CFD軟件對管帶式散熱器流場和溫度場進行了數值模擬計算，并對散熱器的結構進行了優化設計，得到了散熱單元流場的內部流動細節與散熱器整體的換熱分析計算數據，最后和實驗結果對比，各項數據偏差范圍合理，驗證計算方法可行。

總結全文：

（1）散熱器散熱管帶的百葉窗開角在25±2°區間的散熱效果最佳;

（2）調整百葉窗結構的開窗尺寸A和B，可提高散熱性能;

（3）當選擇進水流量約為1.0L/min（水溫為70℃）時，散熱器的散熱量為最大值。

參考文獻：

[1]李世偉，吳國榮，袁津震，等.百葉窗結構參數對管帶式散熱器流動傳熱特性影響的研究[J].內燃機與動力裝置，2012，1：28-31.

[2]徐國濤.臺式計算機水冷散熱系統優化研究[D].北京：華北電力大學，2008.

[3]漆波，田曉虎，李隆鍵，等.車用百葉窗翅片式熱交換器空氣側性能的CFD研究[J].天津理工大學學報，2007，32（2）：64-66.

[4]李重煥，崔淑琴，玄哲浩.管帶式散熱器優化設計實例[J].汽車工程學報，1995，4：18-21.

[5]付衛東，吳金星.管帶式換熱器動態調節性能研究[J].制冷與空調，2006，6（6）：17-19.

作者簡介：李卓喜（1993-），男，工學本科，助理工程師，研究方向：熱能與動力工程。