散熱器散熱過程的場協(xié)同分析

諸 凱 楊 洋 魏 杰 崔 卓

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)大型和超大型電子計(jì)算機(jī)的性能要求在不斷提升，其中CPU芯片的性能是衡量這些計(jì)算機(jī)性能的關(guān)鍵，作為高熱流密度器件的CPU，它的散熱問題成為制約計(jì)算機(jī)發(fā)展與應(yīng)用的一個(gè)瓶頸[1-2]。為此在強(qiáng)化高熱流密度器件冷卻的實(shí)驗(yàn)研究方面，本課題組在多年研究的基礎(chǔ)上，提出了一種對(duì)熱管冷凝端采取強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的新型散熱器，利用熱管將CPU的熱量擴(kuò)散至散熱器底板，然后通過底板上鑲嵌的翅片以強(qiáng)迫對(duì)流的方式散出[3]。本文對(duì)這種具有新型結(jié)構(gòu)的散熱器的散熱性能進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。

過增元在研究對(duì)流換熱問題的過程中提出了“場協(xié)同”理論，認(rèn)為對(duì)流換熱的性能主要取決于四個(gè)方面，分別為流體的速度、流體的物性、流體與固壁的溫差以及協(xié)同角，即流體速度場與溫度梯度之間的協(xié)同程度直接反映了對(duì)流換熱的效果[4]。這種從全新角度剖析影響對(duì)流換熱效果因素的理論經(jīng)過許多學(xué)者潛心研究，并得到了理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5-9]。

本文采用PRO-E軟件構(gòu)建了該散熱器的物理模型，在此基礎(chǔ)上通過流固耦合的數(shù)值計(jì)算模擬出位于實(shí)驗(yàn)風(fēng)道中散熱器周圍的速度場和溫度場。并在相同的流動(dòng)與換熱情況下，采用場協(xié)同原理分析速度矢量與溫度梯度矢量的夾角，研究其換熱強(qiáng)度與場協(xié)同性的關(guān)系。同時(shí)本文采用數(shù)字式粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了該散熱器前后的流場分布情況，以此研究高熱流密度器件散熱器與運(yùn)行參數(shù)之間的特性。

1 物理模型與PIV粒子測(cè)速

CPU的產(chǎn)熱最終要通過散熱器上的翅片以對(duì)流換熱的方式帶走，空氣的流速、速度的分布與翅片表面溫度分布將影響散熱的效果，并且流場與溫度場之間存在著相關(guān)性。采用單向流固耦合數(shù)值模擬的方法，對(duì)散熱器周圍的溫度場和速度場進(jìn)行研究計(jì)算和理論分析。數(shù)值模擬中進(jìn)行了如下假設(shè)：1)流體滿足Boussinesq(布斯涅司克)假設(shè)；2)流體與固體的物性參數(shù)為常量；3)流體為不可壓縮流體；4)流動(dòng)是定常的；5)流體在壁面處無滑移；6)假設(shè)熱管與翅片、熱管與散熱器底板接觸良好，接觸熱阻忽略不計(jì)；7)不計(jì)自然對(duì)流和輻射換熱的影響。

圖1為高熱流密度電子器件散熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。散熱器的外形以及物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。散熱器由散熱底板、熱管以及翅片組成，其中3根圓柱形熱管的中間段鑲嵌在散熱器底板內(nèi)，其余兩端鑲嵌入翅片中；另外2根彎形熱管的一端鑲嵌在散熱器底板內(nèi)，其余部分全部鑲嵌入翅片里。通過熱管將CPU的熱量擴(kuò)散至散熱器底板，然后通過底板上鑲嵌的翅片以強(qiáng)迫對(duì)流方式散出。5根熱管的外徑均為6 mm，散熱器底板為銅質(zhì)，翅片的厚度為0.5 mm(如圖2)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以看出，散熱器中5根熱管的冷凝端均鑲有翅片。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 熱管式芯片散熱器

PIV是一種非接觸式的流場測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)流場圖像的相關(guān)分析獲取流場中粒子運(yùn)動(dòng)信息，它能夠進(jìn)行流場的測(cè)試，從而得到平面流場整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像[10]。本文采用PIV粒子測(cè)速儀對(duì)相同熱流密度、不同風(fēng)速條件下的芯片散熱器散熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。通過測(cè)定(散熱器穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí))煙霧(示蹤粒子)的分布獲得散熱器周圍的流場。將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較的依據(jù)，以驗(yàn)證數(shù)值模擬獲得的速度場和流線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度。實(shí)驗(yàn)風(fēng)道入口的平均風(fēng)速為3 m/s，圖3顯示出通過PIV粒子測(cè)速儀得到的風(fēng)道實(shí)驗(yàn)段三維速度等值圖。圖4、圖5顯示了通過數(shù)值模擬得到的速度矢量圖以及速度流線圖。

圖3 風(fēng)速為3 m/s時(shí)PIV三維速度等值圖

圖4 風(fēng)道實(shí)驗(yàn)段流場3 m/s速度矢量圖

圖5 風(fēng)道實(shí)驗(yàn)段流場3 m/s速度流線圖

2 散熱器的場協(xié)同分析

2.1 場協(xié)同分析簡介

根據(jù)熱管式芯片散熱器在實(shí)驗(yàn)風(fēng)道中的工作狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體二維層流邊界層能量方程

(1)

其中和分別為實(shí)驗(yàn)風(fēng)道中流體的密度、定壓比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，分別為x和y方向的分速度。對(duì)式(1)等式兩邊在熱邊界層內(nèi)進(jìn)行積分可得：

(2)

(3)

2.2 在相同入口(平均)速度、不同熱流密度下的場協(xié)同分析

圖6、圖7顯示出：以平均速度為4.5 m/s、熱流密度為24.3 W/cm2條件下，散熱器底板的溫度云圖和速度矢量圖的對(duì)比，此時(shí)計(jì)算出速度梯度矢量與溫度梯度矢量之間的夾角為43°。另外在相同風(fēng)速，熱流密度分別為44.3 W/cm2和68.6 W/cm2條件下得到了速度梯度矢量與溫度梯度矢量的夾角分別為32°和40°。其中空氣的流向如圖6中的箭頭所示，在協(xié)同角不變的情況下給出在此方向上速度梯度和溫度梯度的最大值和最小值。

圖6 熱流密度為24.3 W/cm2下溫度分布

圖7 熱流密度為24.3 W/cm2下的速度矢量圖

(4)

三種工況下其協(xié)同角分別為43°、32°、40°。速度分布不均且造成速度差的原因是空氣經(jīng)過散熱器被加熱，從而粘度增加而密度減少，通道內(nèi)的空氣速度就會(huì)劇烈變化。熱流密度繼續(xù)增加，速度差基本保持恒定，而溫度梯度隨之增加，當(dāng)熱流密度增加到68.6 W/cm2時(shí)，溫度梯度又變小。由表1中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)模擬的實(shí)驗(yàn)入口(平均)速度保持不變而芯片產(chǎn)生的熱流密度逐漸增加時(shí)，經(jīng)過對(duì)三種工況進(jìn)行場協(xié)同計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明工況2的被積函數(shù)值最大，因此它的場協(xié)同性最好，換熱也最好。

2.3 在相同熱流密度、不同的入口(平均)速度下的場協(xié)同分析

圖8～圖11顯示出：芯片的熱流密度為44.5 W/cm2、入口平均速度分別是4.5 m/s和6 m/s條件下，溫度云圖和速度矢量圖的對(duì)比，此時(shí)計(jì)算出了速度矢量與溫度梯度之間的夾角分別為33°和45°。另外在相同的熱流密度，入口(平均)速度為3 m/s的條件下得到了速度梯度矢量與溫度梯度矢量的夾角為45°。其中空氣的流向如圖8、圖10中的箭頭所示，在協(xié)同角不變的情況下給出在此方向上速度梯度和溫度梯度的最大值和最小值。

表1 不同熱流密度下溫差和速度差

圖8 速度為4.5 m/s下溫度分布

圖9 速度為4.5 m/s下的速度云圖

圖10 速度為6 m/s下溫度分布

圖11 速度為6 m/s下速度云圖

表2 不同風(fēng)速下溫度和速度的最值和平均值

(5)

如前所述，三種工況下其協(xié)同角分別為45°、32°、45°。由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)熱流密度不變，入口速度逐漸增加時(shí)，速度差逐漸增大。雖然工況3的協(xié)同角比工況2的大，但在最大的速度梯度和溫度梯度下，三者的乘積比工況2高，但在協(xié)同角保持不變的情況下，工況3的速度梯度和溫度梯度模的平均值與協(xié)同角余弦值的乘積比工況2的低，從場協(xié)同平均值角度考慮，工況2的散熱效果好于工況3，由此也驗(yàn)證了場協(xié)同原理應(yīng)用于散熱強(qiáng)化分析的正確性。

通過三維速度等值圖和速度矢量圖與流線圖的相關(guān)性可以看出：在相同熱流密度下，主流速度相對(duì)較高，邊界層和旋渦區(qū)的速度相對(duì)較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬比較吻合。因?yàn)檫吔鐚訁^(qū)域的流速相對(duì)主流流速很小，形成尾渦，所以只對(duì)主流的速度進(jìn)行了分析比較。局部細(xì)節(jié)通過圖3可以看出，產(chǎn)生的速度邊界層較薄，換熱效果相對(duì)較好。由表3中數(shù)據(jù)可以看出，在相同熱流密度、不同風(fēng)速下，實(shí)驗(yàn)值總是小于模擬值。產(chǎn)生的原因是風(fēng)道實(shí)驗(yàn)段的條件相對(duì)于模擬條件復(fù)雜，同時(shí)在速度總流場大致不變的情況下，煙霧分布仍具有一定的隨機(jī)性，所以流速相對(duì)來說不穩(wěn)定。但比較實(shí)驗(yàn)值與模擬值兩者的差值仍然是可以接受的。以此驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與合理性。

表3 不同風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)值和模擬值對(duì)比

3 結(jié)論

本文采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)對(duì)散熱器周圍的速度場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用場協(xié)同理論方法對(duì)大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器芯片散熱器的換熱情況進(jìn)行了分析，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)判定散熱器的性能可通過計(jì)算散熱器總熱阻或擴(kuò)散熱阻進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，但是通過計(jì)算散熱器周圍流體速度場與溫度梯度之間的協(xié)同程度可從對(duì)流換熱的角度來審定散熱器的工作效果。利用PIV實(shí)驗(yàn)檢測(cè)(位于實(shí)驗(yàn)風(fēng)道中)散熱器前后段的速度場，在其它條件不變的情況下，通過計(jì)算速度梯度矢量與溫度梯度矢量的夾角，來審視其對(duì)流換熱效果。速度矢量與溫度梯度矢量的協(xié)同性越好，則散熱性能越好。通過場協(xié)同原理鑒定分析散熱器換熱效果的合理性，對(duì)于運(yùn)行工況的選擇具有指導(dǎo)意義。

2)通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)以及應(yīng)用場協(xié)同理論分析可知，在其它場協(xié)同因素保持不變的情況下，熱流密度為44.3 W/cm2或入口平均速度為4.5 m/s時(shí)的場協(xié)同性最好，散熱器散熱效果最佳。

3)采用場協(xié)同理論分析與PIV實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)于深入研究大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器芯片散熱器的冷卻性能、散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)提供了新思路和理論依據(jù)。

本文受天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13JCZDJC27300)資助。(The project was supported by Tianjin Municipal Natural Science Foundation(No.13JCZDJC27300).)

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