CPU散熱器熱分析與優(yōu)化設計

《現代電子技術(shù)》2006年第18期總第233期D新型元器件CPU散熱器熱分析與優(yōu)化設計周建輝,楊春信(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院北京100083)摘要:利用CFD方法分析了平板直肋片散熱器特性,通過(guò)多元線(xiàn)性回歸建立了散熱器換熱和流動(dòng)準則關(guān)系式,提供了散熱器熱阻和熵產(chǎn)率具體表達式;結合熵特性以本文提岀的準則關(guān)系式采用約朿條件旳遺傳優(yōu)化箅法對散熱器結構進(jìn)行多參數優(yōu)化,優(yōu)化結果與特性分析結論和相關(guān)文獻吻合鍵詞:CPU散熱器;數值模擬;準則關(guān)系式;熵產(chǎn)率;優(yōu)化設計中圖分類(lèi)號:TP303.2文獻標識碼:B文章編號:1004-373X(2006)18-001-04Design and Thermal Analysis of CPU Heat SinkZHOU Jianhui, YANG ChunxinSchool of Aeronautic Science and Engineering, Beijing University of Aerond Astronautics. Beijing, 100083, ChinaAbstract: Computational Fluid Dynamic(CFD) is used to analyse characteristics of plate fin heat sinks, the correlation between heat sink and fluid by multivariate linear regression is built. Specific expression of thermal resistance and the rate of enffered. The multiptimization procedure( Genetic Algorithms )based on the minimization of entropy generation resulting from viscous fluid effects and heat transfer are carried out on the plate fin heat sinksprevious analysis andKeywords: CPU heat sink; numerical simulation; correlations; rate of entropy generation; optimization擴展換熱表面,從而降低對流換熱熱阻,但過(guò)多的肋片會(huì )導致摩擦阻力增大,換熱表面流速降低,最終換熱熱阻不CPU散熱器是將CPU核心熱量迅速導出的關(guān)鍵,目降反升,這就是目前的散熱器設計者們所面臨的處境。計前在電子產(chǎn)品中得到廣泛應用。散熱器按冷卻技術(shù)分主算流體力學(xué)和熵產(chǎn)最小化原理的發(fā)展為散熱器設計提要有3類(lèi):空氣對流換熱(被動(dòng)、半主動(dòng)、主動(dòng))、液體冷卻供了解決方法:計算流體力學(xué)可以根據設計者設定的材換熱(水、油和氮氣冷卻)和相變循環(huán)系統(熱管)。被動(dòng)型料、部件參數,模擬散熱器使用過(guò)程中熱量的分布,為設計空氣冷卻散熱器主要儂靠自然對流交換熱量,是20世紀者對產(chǎn)品規格或設計進(jìn)行調整提供了參考;熵產(chǎn)最小化原的90年代以前CPU散熱的主要途徑。隨著(zhù)電子元器件理(EMG)闡述傳熱學(xué)領(lǐng)域中日益重要的熱力學(xué)概念,他的功耗加大,出現了靠機箱風(fēng)扇帶走熱量的半主動(dòng)型散熱是真實(shí)系統熱力優(yōu)化的一種方法。真實(shí)系統由于傳熱、流器。進(jìn)入奔4的21世紀以來(lái),CPU的高熱流密度(103體流動(dòng)、傳質(zhì)的熱力不完美性產(chǎn)生了熵產(chǎn)。作為工程研究105W/cm數量級)的產(chǎn)生成了一股不可抗拒的趨勢,于的一種方法,EMG的目的是使熱力學(xué)和傳熱學(xué)更具有適是芯片的冷卻問(wèn)題就越來(lái)越突出,依靠專(zhuān)用風(fēng)扇冷卻用性。利用EMG可以通過(guò)參數分析獲得幾種強化方式CPU的空氣強迫對流主動(dòng)式散熱器應運而生。由于制造的能量綜合利用效果,還可以確定合理的流動(dòng)工況參數、成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、具有良好的可靠性,相對于液體冷卻結構參數和合理的強化形式無(wú)需額外的裝置和冷卻介質(zhì)等優(yōu)勢,空氣對流換熱散熱器縱觀(guān)國內外散熱器的研究工作-,主要體現在散熱在目前散熱器設計中占有主要地位。器的流體和傳熱特性分析和設計優(yōu)化兩方面,采用的研究散熱器性能同時(shí)受到幾種互相矛盾、沖突的參數或特手段有實(shí)驗方法、準則關(guān)系式方法和CFD方法,而結合熵性的作用,其中的毎一項都希望有更好的表現,但偏偏都特性對散熱器進(jìn)行優(yōu)化設計還是一片空白。熵特性綜合是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的互相影響著(zhù),很難令所有表現全面了流體牿性:其王拉力學(xué)芻二定律的熵產(chǎn)最小化原提高,即便做到了,也一定會(huì )面臨著(zhù)加工、成本等方面的制理比傳中國煤化工言息。熵產(chǎn)最小使得不約只能盡量在混亂中尋求一種平衡。例如肋片數增加能可逆(包CNMHG體達到最小,也使能量做功能力損失最小,該方法設計出來(lái)的散熱器結構能使溫收稿日期:2006-03-29度場(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)同程度最好,從而使得對流換熱的整體基金項目:國家重點(diǎn)自然科學(xué)基金(No.50436010)傳熱性能達到最優(yōu);遺傳算法是一類(lèi)可用于復雜系統優(yōu)化儀器與儀表周建輝等:PU散熱器熱分析與優(yōu)化設計計算的魯棒搜索算法,遺傳算法直接以目標函數值作為搜流密度邊界祭件(100000W/m3);散熱器壁面上的邊界條索信息,不需要目標函數的導數等其他信息。這樣對于本件按壁面函數法設置且采用熱固耦合,以保證熱量能在流文這類(lèi)目標函數無(wú)法求導或很難求導的函數優(yōu)化問(wèn)題,遺體和固體間傳遞。傳算法就比較方便。遺傳算法同時(shí)進(jìn)行解空間的多點(diǎn)搜計算中采用k-ε方程RNG湍流模型,控制方程求解索,如同在搜索空間上覆蓋的一張網(wǎng),搜索的全局性強,不采用 SIMPLF算法。開(kāi)始迭代5步計算流場(chǎng),然后再求易陷入局部最優(yōu)。實(shí)踐和理論都已證明了在一定條件下解能量方程50步,基本收斂遺傳算法總是以概率1收斂于問(wèn)題的最優(yōu)解。2.2特性分析本文研究的內容主要包括:用CFD方法對平板直肋散熱器特性包括熱特性和流體特性,熱特性主要指對片散熱器的特性分析(流體和傳熱及熵特性),建立了準則流換熱性能,流體特性主要指摩擦阻力,熵特性綜合了兩關(guān)系式;以熵產(chǎn)率最小為目標函數,采用準則關(guān)系式對單者的效果。特性指標分別用努塞爾系數(或散熱器熱阻參數和多參數散熱器進(jìn)行結構優(yōu)化摩擦阻力系數和熵產(chǎn)率表示。hD2平板直肋片散熱器的特性分析努塞爾系數(1)2.1數值模擬散熱器熱阻定義:Rm≈(Tm-T)將平板直肋片散熱器(如圖1)放置在L×W×H的矩△P形通道進(jìn)行數值風(fēng)洞實(shí)驗,平板直肋片散熱器和矩形通道的尺寸如表1所示。其中肋片厚度t和肋片間距(s)是變化阻力系數定義:f參數,由于t,s和N(肋片數)滿(mǎn)足一定的幾何關(guān)系,可以認為s和N是同一變量。散熱器基板底面中心施加10mm熵產(chǎn)率:S==Sx+S△l0mm均勻加熱的熱源,用于模擬CPU的散熱(P-P)其中:φ是CPU散熱量(10W);m是冷卻空氣質(zhì)量流量,其他變量參數定義可參見(jiàn)文獻[9]根據數值模擬結果,整理岀散熱器特性曲線(xiàn),對于t的散熱器,特性曲線(xiàn)如圖所示圖1平板直肋片散熱器結構參數表1計算域物理尺寸(mm)尺寸30552511232222散熱器肋片和基板采用鋁合金材料,計算時(shí)做了如下基本假設:(a)熱特性曲線(xiàn)46×103(1)空氣物性參數為常數;3.0×103(2)流體在壁面上無(wú)滑移42×10328×1034.0×103(3)穩態(tài)流場(chǎng);2.6×10°3.8×10(4)不考慮自然對流影響;E36×10324X1034×103(5)壁面光滑表面3.2×10320×103(6)忽略輻射熱傳效應;18×103(7)在能量方程式內忽略粘滯損失中國煤化工16×103進(jìn)口邊界給定流體進(jìn)囗平均流速、進(jìn)口溫度(300K)CNMHGD)廠(chǎng)行性洲線(xiàn)k,ε等值。取進(jìn)口平均流速為2m/s,紊流動(dòng)能k取來(lái)流速度平均動(dòng)能的0.5%,按式c=Ck2求取。出囗采用圖2t=1mm,U=2m/s,N=3~15散熱器特性曲線(xiàn)充分發(fā)展邊界條件。CPU散熱器底面中心處假設為等熱從圖中可以看出:由于氣流有旁通繞流,肋片數增大《現代電子技術(shù)》2006年第18期總第233期D新型元器件q時(shí),對流換熱效果變差;熱阻由于對流換熱系數和換熱面.09f=1.714積的綜合效果,在中間存在最優(yōu)肋片數N=8,這與文獻9]的結論一致。根據公式(4),熵產(chǎn)率由兩部分組成,不等溫傳熱引起的熵產(chǎn)數量級是摩擦熵產(chǎn)的10倍左右,因而總熵產(chǎn)率的特性曲線(xiàn)趨勢與不等溫傳熱熵產(chǎn)一致;摩擦110熵產(chǎn)隨肋片數增加曾上升趨勢。當t=1mm,N=8(s=2mm),U=2~7m/s時(shí),特性曲線(xiàn)如圖3所示,在對數坐標下,N和∫與R。呈直線(xiàn)關(guān)系,通過(guò)一元線(xiàn)性回歸得到準則關(guān)系式n=0.76455R4,f=3.76083R.42200040005000600070008000900010000(a)熱特性曲線(xiàn)8000100001200014000(a)熱特性曲線(xiàn)300000070008000900010000b)流動(dòng)阻力特性曲線(xiàn)圖4t=1(t/L=0.00398),U=2~7散熱器特性曲線(xiàn)該公式的適用范圍為:3530