【摘 要】在科技高速发展的今天，计算机工业也在飞速进步，从而计算机在运行速度方面有了质的飞跃。在高速发展的同时，也带来了弊端，特别是电脑的发热量越来越高。在正常情况下，为了使得电脑的内部温度不至于过高，需要给电脑配备专用的降温系统来保障其正常的运行工作。本文为CPU散热器的数值模拟介绍，借助前几章的计算流体力学的理论分析，本文完成散热器不同状况下的数值模拟，并完成相应的分析。

【关键词】散热器；流场；温度场；CPU

在CPU散热领域内，越来越多的新技术被研发出来并在消费市场上开始兴起，从冷却方式来说，有风冷、水冷和热管三种方式。风冷方式主要依靠一个散热风扇和一个散热片的形式；水冷散热方式主要是依靠液体循环流动带走散热器热量；热管散热是基于液体在全封闭真空管内的蒸发与凝结原理来输送热量的一种方式，相比较前两种方式而言，其散热性能极好。无论采取何种散热方式，最终的目的都是为了确保CPU芯片高热流密度条件下产生的热量能及时被排出，如果散热效果不能保证，将严重制约CPU的稳定运行及可靠性，甚至有部分CPU会出于自我保护的方式在高热情况下自动停止工作，因此解决CPU的散热问题迫在眉睫。

4.1 Fluent使用方法

4.1.1分析工程

1）、依据实体建立相同几何尺寸的模型，并使用画网格软件进行网格划分。

2）、检查生成的网格质量并导出网格文件；

3）、挑选合适的求解器；

4）、选择合理的控制方程，包括湍流模型，传热传质模型、组分或反应模型等。

5）、选择流体物性材料参数；

6）、指定边界条件；

7）、条件计算控制参数；

8）、流场初始化；

9）、计算；

10）、检查结果；

11）、数值模拟结果的存储及其后处理[29]。

其中步骤（1）为前处理过程，其目的是为了给出模拟的前提条件：思考所要解决问题的几何模型如何建立，包括模型的尺寸大小，计算域内介质材料的类型选择。并依据模型和所要解决的问题，思考该模拟过程中各种模型的选择，初始化条件和具体的边界条件该如何设置。

（2）～（10）为针对所建模型和问题的求解过程。这一过程包括迭代方式、求解器及控制方程以及边界参数的选择以及对所选方程的计算求解。通过调试并修改相应的参数、改进计算方法，设置残差标准来使得计算结果的最终收敛。

（11）为后处理过程，将通过自带的后处理功能或者专业的后处理软件来对数值模拟的结果进行相关处理。可以得到一些切面的参数分布云图，也可以在流场中提取相应的数据来最终对模拟结果进行分析。

4.1.2边界条件建立

边界条件的设置非常重要，会影响到计算的可行性以及结果的可靠性。相关边界条件的类型主要罗列如下：

1、进出口的边界条件参数；

2、外壁面及对称壁面以及其运转的周期轴；

3、内部物体的表面边界。如散热器、风扇等；

内部表面边界条件与各物体的表面相关，用以补充说明相关散热物体如排气扇、散热器等物理模型。

4.2 Fluent求解器

因为可以提供多种密度基显示和隐式求解器，另外，还能提供压力基的分离求解器，因此在多种繁复的流场计算过程中多数研究人员采选用FLUENT软件作为第一求解工具软件。同时也因该软件包含了很多经工程经验验证的物理模型并采用多样化求解计算方法以及多重网格技术来加快计算收敛的速度，该软件通过智能的结构化非结构化网格判断适应技术以及海量的精准物理模型提供，能够最大程度的真实模拟物理环境和物理介质，从而使得常见的传热与相变、多相流、变形网格等复杂的流体机理问题等能被准确快速的处理计算。

FLUENT软件中提供了强大的网格模型功能，其中的动网格模型可以实现复杂运动的模型过程，其中更是包括了六自由度模型，该模型能针对复杂多体分离问题的进行相关计算求解。

另外，对于处理粘弹性材料的层流流动问题，可以通过POLYFLOW软件进行模拟，它是一款基于有限元法的数值模拟软件，其适用于多种高分子材料的挤压、成型、混合过程中的流动及传热等问题的研究。

AIRPAK是针对暖通空调领域的气流、温湿度等参数的数值模拟软件。

除FLUENT外，常用的CFD软件还有多用于旋转机械的软件，例如CFX。专业的多相流求解软件—FLOW-3D等等。

4.3性能仿真

4.3.1 物理模型

在我们真实的物理环境中，通常的CPU的吸热盒设计是如下图所示的样式：外界的流动空气通过进口进入到吸热盒中，然后按照預定的流通方向进行流动，在流动的同时，处理器所散发的热量会随着空气流被带走，从而导致CPU盒内（包含CPU）温度的降低。

图4-1 CPU吸热盒结构图

在该实验中，我们实际设计使用的吸热盒的尺寸如下表所示：

表4-1 模型尺寸参数表

在实际应用中最常见的典型散热器是平直型散热器，这种散热器的优点是空间连贯，鳞片间距均匀规律，从而使得散热器中的空气能很顺利的流入流出。从制作工艺上将，平行排列的鳞片几乎相同，排列顺序也有规律，因此可以在流水线上大量的生产出来。该种散热器的吸热口与底部的肋片呈垂直结构分布，空气在从吸热口进入后从侧面流出，在流出的过程中其流向会遍布整个底面肋片表面，因此其散热效果受到多数生产厂商的肯定。

平直型散热器的主要尺寸参数如下：

底板：设计厚度为0.7cm，平面尺寸为10*10cm；

肋片：数量为25片；单片高度为6cm，厚度为0.16cm，长度：10cm；

流体区域：将附近0.5cm范围内的区域规划为流体区域的边界范围。

4.3.2 网格化分

接着就是进行网格区域的划分，根据Fluent软件的特点，拟选用TGrid非结构化网格划分方法对该模型进行进行划分，根据实际需求需要分别划分出固体网格和流体网格。其中固体网格节点的比率我们取值为1，流体网格的节点比率我们取值为0.7，由此可计算出整个区域的网格总数大约为40万。网格划分示意图如下图所示：

图4-2 CPU网格划分

4.3.3参数设定与计算方法

（1）边界条件的设定：将流体入口的位置设置为速度的入口边界，用标准K-ε模型来计算出入口规格的参数数值用以计算，将流体的出口设置为速度的出口边界。将固体流体汇合接触的交界面定义为对流换热的耦合界面。绝热边界由固体的外壁来确定，热源面作为恒热流的边界来确定。在该模型中，固体材料我们选铜介质，流体材料我们选用水作为介质。

（2）相关参数：

根据实验室环境数据，将入口速度分别选定以下几个数值来进行测试：0.145m/s、0.241 m/s、0.338 m/s、0.423 m/s、0.481 m/s。在上述几个入口速度影响下，分别计算显示吸热盒内的速度场和温度场的分布情况和固体流体界面的换热图像，流动出口流量比重取值定义为1，固体内壁面粗糙度取值定义为0.5，热源的供应方式及参数为：恒热，流密度为650000W/m2

（3）计算方法：在本模型选用的计算模型中，我们选用标准K-ε湍流模型，算法选取SIMPLE算法。由于辐射换热影响较小，因此在本设计中选择忽略。为使实验结果准确，特增加了粘性生成热的计算，另外由于重力对流体介质的影响，根据实验位置选用g为9.8078m/ s2。

4.3.4模拟分析

4.3.4.1 内部流场流动分析

数值模拟了CPU 吸热盒模型换热特性以及内部流体介质的特性。在前面我们定义了入口的速度变的取值范围为：0.148～0.481m/s，在这个区间的速度范围内，根据软件模拟计算显示，吸热盒的热源面的热流密度是均匀分布的且很稳定，并且进口的流速和流体的温度也是呈均匀分布状。在本实验中由于没有考虑辐射换热，另外考虑了粘性生成热的对该实验的影响，因此模拟结果会有一定的误差，但该误差在允许的范围内，经过计算各参数误差，压降误差最大为18%，最小仅为0.1%；换热量最大误差则是11%，最小误差达到了0.3%，满足规定的计算不准确度的要求。通过下图我们也可以看出，在该模拟实验中吸热盒内的热流动和换热特性数值与实验结果几乎是完全吻合。

图4-3 CPU 吸热盒内流动特性

图中所示的流体区域的底面，代表了真实的电脑环境中的主板，关于散热器材料的选材问题，因其设计结构的独特性，很难用多种介质混合进行使用，因此我们在铜和铝两种较好的散热材料中选择了铝作为原材料，这也是传统的散热器的首选设计材料。

在进口速度方面，用软件中的速度函数（垂直向下）来赋予入风口速度（参考出风口速度3m/s来设置），如下图4-4所示：

图4-4 CPU 速度场分布特性

进口的温度我们参考日常机箱在一个大气压环境下的适宜温度，选定为295K，同样的将外围的环境也参考一个大气压下的295K的温度数值进行设定。湍流动能K取平均数值0.56，出口边界的条件同入口边界外围环境一致。

对于固体壁边界条件来说，其需要考虑流体和固体耦合换热问题，因此需要从三种情况分别进行考虑：

（1）因热量是由散热器底面传入到散热盒中，因此将该底面与CPU接触的平面部分定义为热源。

（2）在散热器与流通区域的一些壁面中，有部分壁面对对流换热和导热影响很小或者几乎没影响的，我们可以将其认定为绝热壁面。

（3）与绝热壁面相对应的导热壁面来说，他们的边界参数的设定可以按照软件中自带的壁面函数来进行设定，将热阻数值设置为0，这样就可以使热量在固体与流体固体与固体之间顺利传递。

对于切片来说，其所处位置正好位于散热器端面的上边界附近，此处正好是流体介质与散热器刚接触的位置，这就导致了回流现象的产生，由回流现象可导致湍流情况的出现，相对来说就比较复杂，在湍流空间内，流体的流动速度最大可达8m/s，而在散热器边缘速度则降到接近于0的速度，由散热器端面到散热器边缘的过程中，随着z值得减小，流速逐渐趋于稳定到4-5m/s的速度，这就导致散热器出口处流量不断的变大，进而导致散热片上的温度被流体介质逐渐带走。但从另一个角度上来说，随着z值的不断减小，中心速度盲区的范围也随之越来越大，进而导致散热器底部中心的流体速度为0，没有流体速度则意味着没有通量，那就意味着没有流体与散热器地步固体介质之间的对流换热，减弱了散热效果。从图中可以看出x=2.66面存在着三个低速低通量的区域，这就使得散热器不能得到充分的利用，使散热效果变差。

4.3.4.2 不同工况下温度场分析

下面给出了温度分布云图，分别为散热器中心处的x=1.23cm，x=3.69cm的在309K到330K之间的温度分布图，因为散热器的对称性，由这2个图我们就能推测出整个散热器的温度分布。

从x=1.23cm图中，我们可以看出，因是与CPU直接接触，所以在散热器底部温度最高为330K，即CPU的表面温度。然后温度向四周慢慢扩散减小，但最低温度还是高于309K。从x=3.69cm图可以看出，整个肋片的温度要比x=1.23cm的低，且最高温度只在320K左右，最低温度已经低于309K。而随着x值的增加，温度随之减小，总体温度低于315K，大部分已经低于309K。

表4-1是温度大小分布表，从中可以看出，整个计算区域温度集中在300K到315K。

图4-7到图4-9分别给出了CUP能量场、能量矢量以及速度场的场分布图，在该图中我们可以清楚地看到有部分区域根本没有与流体进行流动散热交换，也就是没有进行固体与流体的耦合散热。同时由于Z值的不断减小，流体流速也慢慢趋于平稳，并且沿着肋片的导流向两侧进行延伸。散热器地步由对流和回流作用產生的低速区正好是与散热器直接进行接触的区域，这一块区域的散热效果是最差的。

在散热器内部，速度主要分布在1m/s到7m/s，主要分布如下表4-2所示。

散热器吸收CPU所发出热量的能力称为吸热能力。从材料固定参数等方面去比较，其中，铝的定压比热为Cp=871J/（kg·k），铜的定压比热为Cp=381J/（kg·k），金属铝的定压比热要要远高于铜的，但是铜介质比铝介质的密度要大，有密度和定压比热可得出，单位体积的铜和铝来说，铜要比铝可以存储更多的热量，通过比较铝单质散热器和铜铝合制的散热器来看，铝平直型散热器在储热能力上就比另一个为铜铝合制的散热器要差。

参考文献：

[1].刘一兵.计算机CPU芯片散热技术[J]，低温与超导，2008，36（6）：78-82。

[2].王文豪，潘政宏，蒋润花，等.CPU散热器的优化设计及数值模拟[J].电子测试，2017（15）.

耿德军.胡艳.CPU散热片结构设计[J]，沈阳理工大学学报，2011，30（1）：82-85.

作者简介：

陈庆，出生于19940720，性别男，籍贯，贵州威宁。专业，电气工程学院能源与动力工程。

（作者单位：贵州省贵阳市花溪区贵州大学电气工程学院）