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摘要利用FLUENT 软件对CPU平直板风冷散热器的散热过程进行了研究， 分别模拟散热器在材料不同、底板厚度不同、散热片厚度不同和风扇风速不同的情况下的速度场和温度场，并比较分析各因素对散热器散热效果的影响。通过对比得出，底板和散热片均为铜的散热器散热效果最好，底板为铜散热片为铝的散热器次之；底板厚度为7mm 左右为最佳，过厚散热效果没有明显增强，反而浪费材料；散热片厚度为 1.6mm 左右为最佳，散热片过厚会使散热片之间的间隙变小，阻碍空气对流换热；风扇风速为 2.5m/s 左右为佳，风速过小会影响散热效果，风速过大会产生噪音。27562
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毕业论文关键词 风冷散热器 CPU 温度场 速度场 数值模拟
Title Numerical Simulation and Optimization of CPU CoolingSystem
Abstract The velocity and temperature fields of the radiator is simulated in the condition of differentradiator material,different thickness of bottom plate,different thickness of cooling plate anddifferent wind speed. Various effect factors on the radiator cooling are analyzed on air cooledCPU flat plate radiator via the FLUENT. Through comparison,the radiator whose bottom plateand heat sink in material of copper performs is best in cooling effect and it ranks second whenthe material of heat sink is in place of aluminum. The best radiator effect can be reached whenthe thickness of the bottom plate is about 7mm and the material will be wasted when the bottomplate is thicker. The best thickness of the cooling plate is 1.6mm. The air convection will be putoff when the cooling plate is too thick which make the space between the cooling plates smaller.The ideal speed of the fan is 2.5m/s. The radiator effect will be influenced if slower and noisewill be made if faster.Keywords Air cooling radiator CPU Temperature fields Velocity fieldsNumerical simulation
目 次
1 绪论.... 1
1.1 引言 1
1.2 CPU 散热器概述. 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文主要研究内容. 4
2 CPU 散热器物理模型.. 5
3 数值方法. 6
3.1 计算流体动力学 6
3.2 数值求解方法.... 7
3.3 湍流模型.. 8
3.4 CPU 散热器的建模.. 9
3.5 边界条件的设置... 10
3.6 收敛判定 10
4 模拟结果与分析.. 12
4.1 模拟结果与参考文献对比.. 12
4.2 散热器材料不同的散热分析... 13
4.3 散热片厚度不同的散热分析... 15
4.4 底板厚度不同的散热分析.. 17
4.5 入口风速不同的散热分析.. 19
4.6 综合分析与优化... 22
结 论.... 24
致 谢.... 25
参考文献.... 26
1.1 引言随着计算机工业的迅猛发展，现代社会已经成为了一个信息时代，人们的学习、工作甚至是生活都已离不开网络和计算机。随着人们对计算机的需求和依赖，对其各项性能的要求也越来越高。自 1946年世界第一台计算机诞生以来， 无论是存储量、 运算速率、 可靠性还是其他方面，计算机了惊人发展。CPU 芯片作为计算机的“心脏” ，其运行速率和可靠性直接影响计算机的工作效率，为满足用户需求，CPU芯片集成度在快速提高。世界上第一枚 Intel 芯片的晶体管数约为 2300，而现在市场常见的芯片晶体管数达到了 4200 万[1]。随着 CPU芯片的发展，集成度的的提高，它的发热功率也在持续增大。高温会使电子元器件产生热失效，CPU常常是在具有多个电子元器件的封闭内部环境运行，所有具有电阻的元件都是热源，如果热量没有迅速散失，会导致温度升高超过芯片允许的最高工作温度产生热失效，对处理器的安全可靠运行产生严重的影响。有研究表明，CPU最高允许的工作温度是 80℃[2]，电子元器件的温度若超过正常工作温度，每升高 2℃它的稳定性将降低10%[3]。在 CPU芯片上加装散热器可以将其产生的热量迅速散去， 使温度保持在正常工作温度以内。目前市场上的散热器各不相同，因此散热器的优化现今成为了一个研究的热点。1.2 CPU 散热器概述很多人平常说的 CPU烧掉了，是因散热器散热效果不理想，使 CPU长期处在高温环境下工作，导致其运行缓慢甚至烧毁。根据电子学原理，过热是热导致的“电子迁移”现象在损坏 CPU内部的芯片[4]。 “电子迁移”是指因电子的移动而使金属原子移动的现象。这种现象并不是马上就将芯片损毁，而是一个缓慢的过程，所以长时间使CPU在高温环境下运行，将会很容易损坏。控制 CPU工作温度的常用方法有：降低计算机工作的环境温度和加强 CPU的散热[5]，强化散热的重要手段之一是散热器。目前常见的 CPU散热器有水冷散热器、热管散热器和风冷散热器三种。其中风冷散热器是最常见的，它由散热片、扣具、散热风扇、导热介质四部分组成[6]。它的原理是通过散热片将热导出，再通过风扇产生强劲风，加强空气流动，通过强迫对流的方式将散热片上的热量传至周围环境，而达到散热的效果。另外，还有半导体制冷、压缩机制冷、液氮制冷等散热方式的散热器。散热器的散热性能可以从散热器的瞬时储热能力、 热阻和 CPU表面温度及降低过程三个方面来进行评价。瞬时储热能力就是迅速吸热的能力，将 CPU在通电瞬间产生的高热量迅速吸收， 使芯片不会被烧坏， 散热器的总热阻包括散热器自身热阻和 CPU与散热器的接触热阻，CPU表面温度是最直接反应了散热器散热性能的好坏。1.3 国内外研究现状CPU散热器的散热性能主要受散热片的材料类型、数量和厚度，以及风扇的功率和计算机的运行状态等因素的影响。散热片的材料类型是影响散热片散热效果最主要的因素，银和铜的导热性好，但其价格昂贵，所以铝成为了最好的选择，价格便宜，导热性仅次于铜。同时风扇的风速也极大影响散热器的散热效果，风速越大散热越快；但是功率太大，耗能增加且噪声大。国内研究人员采用实验和数值模拟的方法， 对CPU散热器的散热性能进行了大量的研究。部分研究人员还对新型散热器进行了探讨和研究。陈占秀[7]等研究表明，散热片为铜的 CPU散热器散热效果优于散热片是铝的，因为铜的导热性优于铝的导热性。而铜的密度比铝的大，若用铜代替铝，散热器的重量会大大增加，并提出了考虑在换热较强的区域铜代替铝，以增强换热效果。胡艳[8]等通过数值模拟得出肋片越厚、肋片越高、肋间距越小均使散热效果提升；最终确定截面直肋散热器最佳尺寸为：散热片高30mm，散热片厚4mm，散热片间距5mm。王宏伟等[18]借助软件ANSYS分别对散热器在不同材料和尺寸下进行分析，比较它们的传热性能，得到散热器表面温度和散热片厚度的关系。当铝材散热片厚度差不多为4mm时或铜材散热片厚度差不多为5mm时，散热器效果最佳。李艳红，唐金沙[9-10]等采用实验测试和数值模拟研究了铜铝复合型散热器的散热性能，研究表明增大风速对热阻的降低有明显的影响，但是功率较低时，增大风速不仅噪声大，还没有显著提高散热效果；陆正裕，熊建银[11]等通过实验测试得出散热器的换热随流速增加而增加，加热功率对换热和热阻的影响很小；李燚，张永恒[12]考虑了风扇和散热器的距离对散热性能的影响，通过数值模拟结果显示，风扇与散热器之间存在一个最佳距离，选取风扇要考虑的因素是CPU核心温度和散热器能承受的风压。高翔[13]等探讨了热管、微通道和冷芯片 3 种新型微冷却方式的发展，热管的导热性良好、反应快、质量轻和尺寸小风优点，符合CPU小型化的要求；微通道散热有体积小重量轻、无噪声、性能稳定等优点，也有堵塞等问题需进一步完善；目前市场上散热性能最优的散热技术是冷芯片，使用前景非常乐观。孙滔[14]等为增强液冷式CPU 散热器的散热性能，通过在其流道内填充不锈钢珠，使散热器流道形成复杂的“多孔介质”流道，研究表明散热效果明显优于填充前，对流换热系数约为填充前的1.4-4.8 倍。CPU 散热器的散热性能在国外也得到广泛的研究。Mateusz Korpyś[15]等通过实验和运用CFD 软件模拟，对分别使用纳米流体（氧化铜）和水两种冷却液作为工作流体，对 CPU散热器液体冷却散热性能进行分析。模拟结果显示，纳米流体作为工作流体的散热效果略优于水，但是没有显著效果，得出在 CPU 散热器液体冷却中，水作为工作流可以满足 CPU 的冷却的结论。微通道液体冷却技术在国外也得到广泛研究，Paisarn Naphon[16-17]等研究了微通道散热片在有无热电的情况下，用去离子水作工作流体，在散热片材料不同、冷却液的流速不同和CPU功率不同下的液体制冷，分析得出热电对 CPU的冷却有显著想效果，但耗能有所增加的结论。C.Y.Zhao，T.J.Lu[18]通过翅片和多孔介质的方法研究分析了微通道散热器的空隙率对热性能影响，结果显示，在微通道散热器中掺入微热管可以使散热器的散热性能显著提高，尤其是在通道比较宽的时候；同时研究表明，边界条件上的总体努塞尔数对散热性能影响很小。
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