曹利民 漆波

【摘 要】本文以厚度仅28mm的某离心式CPU散热器为研究对象，利用CFD进行散热分析，通过改变风扇叶片的形状，改变散热翅片的形状及分布来改善CPU的散热，使散热效率提高6.6%。

【关键词】离心式风扇;散热器;CFD;散热分析

Optimization design of heat dissipation of ultra-thin centrifugal CPU radiator

CAO Lin-min，QI Bo

（University of South China，School of Mechanical Engineering，Hengyang 421001，China）

Abstract：In this paper，a centrifugal CPU radiator with a thickness of only 28mm is taken as the research object，and CFD is used to analyze the heat dissipation.By changing the shape of the fan blades and the shape and distribution of the fins，the heat dissipation of the CPU is improved，and the heat dissipation efficiency is increased by 6.6%.

Keywords：centrifugal fan，heat sink，CFD，thermal analysis

0 引 言

随着消费者对电子产品的轻、薄、小、高速等性能的追求，轻薄型笔记本电脑已经是市场主流，因其有限的空间，散热问题一直是制约其发展的一大技术瓶颈^[1]。电脑硬件中CPU发热最为严重，为了解决CPU散热的问题，使用风冷散热器是最为经济的一种方法。目前市面上的风冷散热器的风扇，绝大多为轴流式的风扇，但体积过大，而离心式风扇相对更为轻薄。

本文以Engine 27型离心式CPU散热器为研究对象，优化风扇叶片和散热翅片的参数，通过CFD模拟仿真来确认优化方案是否可行。

1 离心式散热器的有限元模型

1.1 离心式散热器有限元模型的建立

在数值模拟中，物理模型、几何模型与实际情况差异的大小将直接影响仿真结果的准确性^[2]。本文参考型号 Engine 17 散热器的几何外型，使用SolidWorks软件绘制出相似并简化的初始模型，再使用 ANSYS FLUENT 模块建立流场与网格^[3]。

本文优化部分为：将风扇的长叶片由曲线，翅片形状由直线型辐射状分布改为曲线型交错分布^[5]。

图1风扇和翅片截面图（左：原模型，右：改良模型）

1.2 边界与物理条件设定

本研究乃是模拟空气于散热过程中的流场分析，模型内的材料分为流体和固体，以下分别说明其性质。流体部分为空气，流体性质定义为理想气体，设定20℃的空气参考密度1.225kg/m³，CPU密度为1900 kg/m?，比热795 J/kg·K，热传导系数10。CPU的源项设定发热量，计算方法为 TDP：65W除以发热体积8×10^-6 m³，其值为8.125×10⁷W/m³。

離心风扇中，其额定转速定义为 2500RPM，压力速度离散采用 Sample 算法和 k-ε 湍流模型。

2 散热器的模拟结果分析

2.1 流速对比

如图5所示（XY剖面速度图），气流速度向量与叶片旋转方向不连续。优化后的模型在叶片出口及翅片出口处的速度均高于原型，在相同转速下，流速高散热能量跟好。两模型翅片上部均有回流现象，原模型回流现象更为严重，出口气流集中在翅片出口下部。

图5 速度图（左：原模型，右：改良模型）

2.2 压力对比

气流经过短叶片入口和翅片入口时产生高压（图6中红点处），而在高压后的区域会产生较低的低压，压力差使气流通过速度更快，故压力差越大，散热能力越好。从图中可以观察出改良模型的压力差比原模型大，因此散热更好。

图6 压力图（左：原模型，右：改良模型）

2.3 温度比较

经模拟计算，2500rpm下，原模型CPU平均温度为74.3℃，改良模型CPU平均温度为69.4℃，改良型比原型散热效率提高6.6%。

3  结 论

通过数值模拟仿真，对散热器进行了分析，得到以下结论：

1）S型长叶片，可将吸入的气体集中后，顺着叶面导流送出，可增加空气流量，而提高风扇的散热效果。

2）曲面翅片可以使气流更顺畅的流出，气流经过交错分布的翅片时，冲击会产生高压，压力差使气流通过速度更快，散热能力更好。

参考文献：

[1] 高翔，凌惠琴，李明，等.CPU散热技术的最新研究进展[J].上海交通大学学报，2007，41（41）：48-53.

[2] Bar-Cohen A，Iyengar M.Design and optimization of air-cooled heat sinks for sustainable development[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2002，25（4）：584-591.

[3] 朱红钧，林元华，谢龙汉.流体分析及仿真实用教程[M].北京：人民邮电出版社.

[4] 李景银，梁亚勋，田华.不同型线离心风机叶轮的性能对比研究[J].工程热物理学报，2008，28（06）：963-966.

[5] 陆正裕，熊建银，屈治国.散热器换热特性的实验研究[J].工程热物理学报，2004，25（5）：77-80.

作者简介：

曹利民（1982—），男，硕士研究生，主要从事流体机械研究;

漆波（1976—），男，博士，副教授，主要从事传热传质、新能源技术、节能减排、功能涂层制备及机械加工过程中的工程热物理问题的研究。

（作者单位：南华大学 机械工程学院）