電腦散熱片換熱過程數值模擬分析

電腦散熱片換熱過程數值模擬分析

袁志燕, 鐘建華

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州341000)

摘要：研究的對象是直板式鋁散熱片,通過改變散熱片的結構參數(齒厚、齒高、齒間距和底板厚度),以Ansys軟件為載體,將所作模型圖導入Ansys軟件中進行模擬,得出測試點溫度.基于正交試驗分析,得出結果:散熱片的齒厚和齒間距對其散熱效果影響最大,其次是齒高,底板厚度次之;其他參數不變時,齒厚在0.5～1.5 mm內,隨著齒厚的增加,散熱效果增強,齒厚超過1.5 mm,散熱效果則減弱;齒間距在1～1.5 mm內,隨著齒間距的增加,散熱效果增強,齒間距超過1.5 mm,散熱效果則減弱;隨著齒高的增加,散熱效果呈現增強趨勢;底板厚度在2～3 mm內,隨著厚度的增加散熱效果增強,當厚度超過3 mm時,散熱效果呈下降趨勢.

關鍵詞：散熱片; 數值模擬; Ansys; 正交試驗

收稿日期：2014-10-29

基金項目：江西省重大專項計劃項目(贛科發計字[2003]23號)

作者簡介：袁志燕(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為擠壓模具制造與仿真模擬. E-mail: 645941044@qq.com

中圖分類號：TK 124文獻標志碼： A

The Simulation Analysis of Heat Transfer for Computer Heat SinksYUAN Zhi-yan,ZHONG Jian-hua

(School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of Science

and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract：This paper is mainly focused on the simulation of heat transfer for computer heat sinks.First,in the phase of numerical simulation,the models are developed by changing the parameters of the heat sink,including tooth thickness,tooth height,tooth spacing and floor thickness.Then the model are simulated in Ansys software and the testing temperature is obtained.The results show that the tooth thickness and tooth spacing of the heat sink have the greatest impact on the cooling effect.When other parameters remain constant,the cooling effect is enhanced with the increasing of tooth thickness on range of the 0.5 mm to 1.5 mm and the tooth spacing on range of the 1mm to 1.5mm.The cooling effect is weakened out of the range.In addition,with the increase of tooth height,the cooling effect showed a trend of increase.When plate thickness is in 2-3 mm range,the cooling effect is enhanced with the increase of its thickness,and yet with more than 3 mm thickness cooling effect is on the decline.

Keywords：heat sink; numerical simulation; Ansys; orthogonal experiment

0引言

隨著電子工業和計算機技術的發展,中央處理器(CPU)的運算速度提高,體積越來越小,芯片的發熱量猛增到70～80 W,電子設備的失效55%是由于過熱所致,導致CPU功耗的增大和積聚的熱量急劇增加,嚴重影響CPU的正常工作.提高CPU散熱片的散熱性能已經成為電子制造領域中急需解決的關鍵問題之一[1],也是現在炙手可熱的研究對象,僅依靠先進的工藝帶來的發熱量下降則顯得杯水車薪.

針對CPU的散熱問題,本文主要研究直板式散熱片的散熱規律,通過改變散熱片的結構(齒厚、齒高、齒間距和底板厚度),以Ansys軟件為載體,用數值模擬的方法研究不同情況下散熱片的散熱效果,通過正交試驗進行極差和誤差分析得出最優方案.

1數值模擬試驗研究方法

本文通過改變直板式電腦散熱片齒厚、齒高、齒間距和底板厚度等四個結構參數,并將其作為正交試驗的四個因素,每個因素取四種水平.綜合分析,不考慮交互作用,采用正交表L16來安排試驗,利用Proe分別建立實體模型,導入到Ansys中進行數值模擬分析.根據試驗結果,得出散熱片底板的最低溫度,然后與底板初始溫度做差值,便可以認為是散熱導致的溫度差.通過對正交試驗結果的分析,找出各結構因素對電腦散熱片換熱強弱影響的主次關系,從而找出最佳散熱效果時的結構參數值,完成對散熱片結構的優化.

1.1幾何模型的建立

Proe是一款三維軟件,該軟件具有強大的數學建模功能,并且能以IGS的格式保存,IGS格式的三維圖可以直接導入Ansys軟件中進行模擬.Proe三維模型圖建立流程見圖1.

圖1　模型建立流程

通過以上過程繪制的三維Proe模型,見圖2.散熱基底尺寸為70 mm×2 mm×70 mm;翅片分三段式尺寸為20 mm×0.5 mm×40 mm,模擬流程見圖3.

圖2　繪制的三維Proe模型

圖3　模擬流程

1.2材料屬性及加載邊界

在設計的模型中,為了研究方便,簡化計算模型.假定電腦片在散熱過程中,空氣流體的物性參數為常值(即理想不帶風扇的電腦散熱片),散熱片的材料是6063鋁合金,假設散熱片放在均勻加熱的金屬板上,金屬板的恒定加熱溫度為50 ℃.采用自然對流,環境初始溫度設為20 ℃,對流體熱系數為70 W/(m2·℃),基底與散熱翅片采用爆破焊接工藝連接,CPU直接接觸的散熱器底面采用恒定的熱流量密度邊界條件,與空氣進行對流換熱的兩側壁面采用固體區域和流體區域耦合傳熱.采用標準k-ε湍流模型計算[3].散熱片的物性參數及載荷邊界條件見表1和表2.

表1　6063鋁合金散熱片的物性參數

表2　散熱器的邊界條件

在Ansys/Preprocessor前處理器參數定義中,Preferences菜單中勾選Thermal(熱處理),并在Preprocessor/Element Type中添加Solid/Tet 10node 87型單元,最后分析類型為Steady-state.

1.3網格劃分

使用Ansys中Meshing(網格)功能中的Meshing tool,對3D實體模型自由劃分網格.在網格劃分器的“Smart Size”中設定網格密度為6.與Solid/Tet 10node 87單元相對應,選擇網格形狀,在網格(Mash)劃分模塊中選擇“Volumes”,在形狀(Shap)中選擇四面體“Tet”.網格劃分結果見圖4.

圖4　網格劃分模型

2模擬結果分析

2.1Ansys數值模擬結果分析

圖5和圖6為模型A1B4C4D4的分析圖.圖5為電腦散熱片上溫度分布云圖,反映了換熱過程中其溫度的分布情況.圖6以數值曲線圖的形式表示出了其換熱過程中溫度從底板到齒頂溫度的變化情況.從溫度分布云圖中不難看出,沿齒的方向,溫度依次降低,且降低趨勢依次減弱;從數值曲線可以得到,溫度的變化趨勢整體以直線的形式降低,故散熱比較均勻.

圖5　電腦散熱片上溫度分布云圖

圖6　底板至齒頂溫度分布

2.2正交試驗的直觀分析

為了獲得較佳的優化組以及影響趨勢圖,進行了正交試驗設計[9].表3為因素和水平表.在上述方法中,分別得出各試驗組中底板的最低溫度,計算出底板最低溫度與金屬板初始加熱溫度50 ℃的溫差.

表3　因素和水平表

根據計算結果,表4給出了試驗方案及結果分析.溫差反映的是散熱片的綜合散熱性能,其值越大,散熱效果越好.這四個因素的極差用R表示,通過正交極差分析得到RA>RC>RB>RD,這說明因素A(齒厚)、C(齒間距)對電腦散熱片的綜合散熱性能影響最大.分析原因為:齒厚與齒高都是通過改變齒數來改善散熱性能;其次為B(齒高),而D(底板厚度)的影響相對次之.為確定優選方案,需對各因素分別進行分析:A因素:K3>K4>K2>K1;B因素:K4>K2>K1>K3;C因素:K2>K3>K1>K4;D因素:K3>K2>K1>K4(其中Ki代表任一列水平號為i時,所對應試驗結果的總和).

表4　試驗方案及結果分析

圖7～圖10是由正交試驗得出的趨勢圖,反映了因素與指標間的變化趨勢,更直觀地表征了各因素對散熱效果的影響規律.結合表3、表4的結果,初步確定優化方案為A3B4C2D3,即電腦散熱片的齒高為55 mm,齒厚為1.5 mm,齒間距為1.5 mm,底板厚度為3 mm.

圖7　齒厚與溫差趨勢圖

圖8　齒間距與溫差趨勢圖

圖9　底板厚度與溫差趨勢圖

3結論

(1) 對于綜合散熱片散熱效果性能的評價指標,散熱片的齒厚以及齒間距對其散熱效果影響最大,其次是齒高,底板厚度較次之.

(2) 其他參數不變時,齒厚在0.5～1.5 mm內,隨著齒厚的增加,散熱效果增強,齒厚超過1.5 mm散熱效果減弱;齒間距在1.0～1.5 mm內,隨著齒間距的增加,散熱效果增強,齒間距超過1.5 mm散熱效果減弱;隨著齒高的增加,散熱效果呈現增強趨勢;底板厚度在2～3 mm內,隨著厚度的增加散熱效果增強,當超過3 mm時散熱效果呈下降趨勢.

(3) 通過對正交試驗結果的分析,得到了最終的優化方案為A3B4C2D3,即電腦散熱片的齒高為55 mm,齒厚為1.5 mm,齒間距為1.5 mm,底板厚度為3 mm.

參考文獻:

[1]范偉,李慧君.電子器件散熱片換熱特性的數值研究[J].電子元器件應用,2012(9):34-36.

[2]喜娜.CPU集成熱管散熱器的研究[D].大連:大連理工大學,2005.

[3]王宏偉,葛增杰,顧元憲,等.CPU散熱片溫度場模擬分析及其材料和尺寸選擇的研究[J].計算力學學報,2003(6):725-729.

[4]張波.ANSYS 有限元數值分析原理與工程應用[M].北京:清華大學出版社,2005:12-35.

[5]Webb R L,Eckert E R G.Application of rough surfaces to heat exchanger design[J].Int J Heat Mass Transfer,1972,15:1467-1658.

[6]崔海亭,趙欣.螺旋槽紋管管內紊流流動與換熱數值研究[J].河北科技大學學報,2002(4):86-89.

[7]張建平.螺紋管在換熱器中應用分析[J].河南化工,1998(11):22-23.

[8]張朝.ANSYS熱分析教程與實例解析[M].北京:中國鐵道出版社,2007:20-69.

[9]Zhong Jianhua,Jiang Liming,Feng Kai.The 3-D numerical simulation of heat transfer process of finned copper tube[J].Advanced Materials Research,2012,393-395:412-415.

[10]李毅欣.閉式空氣冷卻器結構優化與傳熱特性的研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[11]李云雁,胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].第二版,北京:化學工業出版社,2007:124-158.

[12]張立新.ANSYS 7.0 基礎教程 [M].北京:機械工業出版社,2004:22-26.

[13] 嚴云.基于ANSYS參數化設計語言的結構優化設計[J].華東交通大學學報,2004(4):52-55.

[14]龔曙光,謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程[M].北京:機械工業出版社,2003:15-38.