基于Fluent的水冷散热器特性研究.pdf

第 61 卷 第 9 期Vol.61 No.92023 年 9 月September 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.09.023基于 Fluent 的水冷散热器特性研究张记杨，张泽（550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）摘要 针对目前机械设备与电子产品的发热问题，提出了一种圆盘形 CPU 水冷散热结构，并通过 Fluent 软件对其进行数值模拟。在雷诺数为 500-3 000 的工况下，模拟了该结构在 2 种工作模式下的对流换热情况（模式 1 为滞后分流端，模式 2 为提前分流端）。结果表明，该结构能够有效地散热，且 2 种模式的传热能力都随着雷诺数的增加而增大，Re 从 500 变化到 3 000，模式 1 的对流换热系数提升了 58.96%，模式 2 提升了 58.57%；2 种模式的热阻值都随着雷诺数的增加而不断降低。综合考虑各项性能，模式 2 均优于模式 1，说明提前分流可以增加换热能力。关键词 Fluent；水冷；热阻值；对流换热系数；压降 中图分类号 TK172;TP332 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0107-04引用格式：张记杨,张泽.基于 Fluent 的水冷散热器特性研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(9):107-110.Research on characteristics of water cooling radiator based on FluentZHANG Jiyang,ZHANG Ze(School of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China)Abstract Aiming at the heating problem of various mechanical equipment and electronic products,a disk-shaped CPU water cooling structure was proposed,and the structure was numerically simulated by Fluent software.Under the condition of Re 5003 000,the convective heat transfer of the structure under two different working modes was simulated(mode 1 is the lag port,and mode 2 is the advance port).The results showed that the structure could heat effectively,and the heat transfer capacity of the two modes increased with the increase of Re.When Re changed from 500 to 3 000,the convective heat transfer coefficient of mode 1 and mode 2 increased by 58.96%and 58.57%respectively.Moreover,the thermal resistance values of the two modes decreased with the increase of Re.Considering all the performances,mode 2 was better than mode 1,and it could be found that the advance flow could increase the heat transfer ability.Key words Fluent;water cooling;thermal resistance;convection heat transfer coefficient;pressure drop0 引言随着技术及设备的加速升级，处理器（CPU）频率不断提高，电子设备的效率和速度每年都显著提升。这会导致更大的电力消耗，增加热量排放，进而缩短产品生命周期或损坏 CPU，使用散热器冷却 CPU 是目前最有效的方法之一。传统风冷散热方式的散热能力有限，水冷散热器可以突破风冷散热的极限，具有更高的散热能力1-6。国内外学者对水冷散热器进行了大量研究。王金龙等7为了增强 CPU 水冷散热器的散热能力、提高其散热的均匀程度，对铜基 CPU 水冷散热器进行了数值模拟研究，发现进出口数量越多，CPU 温度分布越均匀，散热能力也越强；Yan 等8模拟了圆形双层散热结构，以不同方式引导流体流过散热器。研究表明，随着流速和通道长度的增加，散热的压力损失逐渐增加，但散热效果更好；Sung 等9-10对微通道散热器进行了一系列实验和射流冲击数值研究，研究了多个单射流槽以及两相和单相传热；Lelea 等11优化了具有直圆形微通道的切向微散热器的几何形状，结果表明，入口通道的横截面为矩形、与管轴相切，达到了较好的效果。以上研究发现，可以考虑从增加与液体的接触面积和流体紊乱程度 2 个方面设计水冷散热器。基于这两个方面，本文设计了一种圆盘形散热结构，研究其散热特性，考虑到能源消耗，除了传热外，还需要研究压力损失。本文主要评估了2种模式（模式 1 为滞后分流端，模式 2 为提前分流端）在不同雷诺数下散热结构的 CPU 平均温度、热阻值、压降以及对流换热系数。本研究可为电子设备冷却系统的设计提供参考。1 模型的建立该微型散热器简化结构如图1所示，材质为铝。下方为 CPU 板，尺寸为 40 mm40 mm5 mm，材质为铜。CPU底面设热通量为100 W（6 250 W/m2），收稿日期：2022-07-26108农业装备与车辆工程 2023 年尺寸如图 1 所示。该结构分为 2 种工作模式，模式1 为 B 面入口，A 面为出口；模式 2 为 A 面为入口，B 面为出口。2 仿真设定2.1 控制方程本文基于 Fluent 对结构进行仿真分析，假设流体为不可压缩流体，控制方程包括质量守恒、动量守恒、能量守恒方程，分别为质量守恒 V0eff$dt=h (1)动量守恒 VPVeffeff$ddddtn=-+hh (2)能量守恒 VcTkTeffP effeff$dddt=$hh (3)式中：密度；k 导热系数；粘度；cP比热容；V 速度；T 温度；P 压力；eff有效值。2.2 边界条件与计算方法的设定入口边界为速度入口，根据式（4）得到不同雷诺数对应的速度值，入口温度为 26.5，出口边界压力为标准大气压，CPU 底面设热通量 100 W（6 250 W/m2），壁面设定为无滑移壁面，采用SIMPLE 算法进行求解。Revdnt=(4)式中：v、流体的流速、密度与黏性系数，d特征长度。2.3 网格无关性验证选择了 4 种网格数量进行网格的无关性验证，由表 1 仿真数据可知，在相同工况下，网格数变化对压降的作用比较明显。网格数到达 250 383 以后，网格数变化对精度的提高作用不明显，同时由图 2可见，CPU 平均温度的变化也趋于稳定。综合考虑，为节省计算资源且达到理想精度，采用网格数为 250 383 进行仿真分析。表 1 网格无关性验证Tab.1 Grid independence validation组数单元数平均温度/压降压降变化率/%1285 49627.402 185 6381.142 42250 38327.402 105 5746.229 13137 79927.408 595 2485.871 74 18 83327.473 824 9562.4 数据规约热阻 R 值12-13可作为定量评估散热器的冷却性能的指标，R 值可由式（5）求得。RqTTCPUin=-(5)式中：TCPUCPU 的平均温度；Tin散热器入口的流体温度。R 值越小，说明液体内部和 CPU 能够更好的热交换，使 CPU 平均温度更低。为了更好地说明问题，本文引入对流换热系数h，h可由式（6）求得。hTTqCPUm=-(6)TTT2minout=-(7)式中：Tout出口温度值。3 结果与讨论模式 2 不同雷诺数下的温度云图如图 3 所示，可见，随着雷诺数的增加，CPU 的整体温度变得更加均匀，且高温区逐渐下移，从整体上看，散热效果也变得更好。实际上，速度的增加会提高速度和温度梯度，从而增强传热，使得高温区下移。图 2 网格无关性验证Fig.2 Verification of grid independence图 1 CPU 散热器结构图Fig.1 Structure of CPU radiatorR30R27R23R22R18R17R13R12R8BA4 445 10（a）Static Temperature27.68927.60427.52027.43627.35127.26727.18327.09827.01426.93026.845()109第 61 卷第 9 期图 4、图 5 是雷诺数为 3 000 条件下模式 1 和模式 2 的速度矢量图，可以清楚地看到流体质量的运动路径和速度分布。在扭曲的地方流速增加，且模式 1 最大速度集中在终点处，而模式 2 集中在交汇处，接触面积大的地方模式 2 速度更大，边界层更薄，能更好地散热14。图 6 描述了 2 种模式不同雷诺数下散热器的对流换热系数的变化。可以发现，对流换热系数随雷诺数的增加而增大，增长趋近于线性，模式 2 的换热系数优于模式 1。雷诺数从 500 到 3 000，模式 1 的对流换热系数提升了 58.96%，模式 2 提升了 58.57%。雷诺数的增加意味着速度也在增加，使得边界层厚度减小，从而提高了导热系数。图 7 描述了 2 种模式不同雷诺数下 CPU 的平均温度变化，随着雷诺数的增加，CPU 平均温度有所降低。且模式 2 的稳态温度一直比模式 1 低。雷诺数从 500 到 3 000，模式 1 的整体 CPU 温度降低了1.25%，模式2降低了1.26%。这是因为模式2，在入口之后很短时间内就进行了分流，使得液体与散热器的接触面积增大，从而增强了散热效果，模式 1 则是流体刚进入散热器需要经历一段时间的流动，才进行分流，使得较冷的液体没有充分接触，导致散热效果有所减弱。图 8 描述了 2 种工作模式下压降与雷诺数的关系。一方面雷诺数的增加使得压降增加，且雷诺数越大，该效果越明显，表明速度和压降之间存在直张记杨 等：基于 Fluent 的水冷散热器特性研究图 4 模式 1 雷诺数为 3 000 时的速度矢量图Fig.4 Velocity vector diagram of Re=3 000 in mode 1vector-1Velocity Magnitude(m/s)4.1673.3342.9172.5002.0841.6671.2500.8330.4170.000图 5 模式 2 雷诺数为 3000 时的速度矢量图Fig.5 Velocity vector diagram of Re=3 000 in mode 2vector-1Velocity Magnitude(m/s)4.1673.3342.9172.5002.0841.6671.2500.8330.4170.000图 6 不同雷诺数下模式 1 和模式 2 的对流换热系数Fig.6 Convection heat transfer coefficients of mode 1 and mode 2 at different Re图 7 不同雷诺数下模式 1 和模式 2 的 CPU 平均温度Fig.7 CPU average temperature of mode 1 and mode 2 at different Re（b）（c）（d）图 3 模式 2 雷诺数 5002 000 结构的温度云图Fig.3 Temperature nephogram of Re=5002 000 structure in mode 2（a）Re=500 （b）Re=1 000 （c）Re=1 500 （d）Re=2 000Static Temperature27.68927.60427.52027.43627.35127.26727.18327.09827.01426.93026.845()Static Temperature27.68927.60427.52027.43627.35127.26727.18327.09827.01426.93026.845()Static Temperature27.68927.60427.52027.43627.35127.26727.18327.09827.01426.93026.845()110农业装备与车辆工程 2023 年接关系；另一方面，模式 2 比模式 1 的压降更低，比如在 Re=3 000 的工况下，模式 2 比模式 1 压降降低了约 9.93%，这是非常可观的，也是因为模式2 更快地分流导致的。图 9 描述了 2 种工作模式下热阻值与雷诺数的关系。热阻是设计阶段的关键参数。由图 9 可以看出，该散热器的热阻非常小。一方面雷诺数的增加降低了热阻；另一方面，模式 2 的热阻值也低于模式 1。综合以上分析，模式 2 的散热效果明显优于模式 1 的。4 结论对圆盘散热器进行了数值模拟，研究了 2 种模式下雷诺数对其稳态特性的影响,主要结论如下：（1）该散热结构能够将 CPU 平均温度稳定在 27.7 以内，达到较好的散热效果。（2）2 种模式对流换热系数都随雷诺数的增加而增加。雷诺数从 500 到 3 000，模式 1 的对流换热系数提升了58.96%，模式 2 提升了 58.57%。（3）随着雷诺数的增加，CPU 的温度分布更加均匀并且更低，热阻值也更低。（4）随着雷诺数的增加，压降越来越大，且模式 2 的压降比模式 1 的更低，比如在雷诺数为 3 000 的工况下，模式 2 比模式 1 压降降低了约 9.93%，这是非常可观的。本文从数值模拟角度证明了该散热器能够达到良好的散热效果，也间接证明了水冷散热器提前分流能够增加换热能力，为散热器设计提供了一种新思路。参考文献1 郝俊娇,潘日,周刚,等高热流密度电子元件中热管散热技术的进展 J.化工进展,2015,34(5):1220-1224,1231.2 王雅博,诸凯,崔卓,等冷却水进出方式对芯片散热器换热性能影响 J.机械工程学报,2018,54(10):188-194.3 牛永红,刘宗攀,庞赟佶.CPU 芯片水冷散热器的数值模拟与分析 J.化工进展,2010,29(S1):653-6554 王彬,诸凯,王雅博,等.翅柱式水冷 CPU 芯片散热器冷却与流动性能 J.化工进展,2017,36(6):2031-2037.5 诸凯,刘泽宽,何为,等.数据中心服务器 CPU 水冷散热器的优化设计 J.制冷学报,2019,40(2):36-42.6 欧阳寰.计算机 CPU 散热的重要性与常用技术分析 J.科技与创新 2018(14):99-100.DOI:10.15913/ki.kjycx.2018.14.099.7 王金龙,苑成东,刘昭良,等.铜基 CPU 水冷散热器的散热数值模拟与结构优化 J.材料热处理学报,2020,41(10):155-161.8 YAN Yunfei,YAN Hongyu,FENG Shuai,et al.Thermal-hydraulic performances and synergy effect between heat and flow distribution in a truncated doubled-layered heat sink with Y-shaped fractal networkJ.International Journal of Heat&Mass 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