CPU散热器热分析与优化设计

《现代电子技术》2006年第18期总第233期D新型元器件CPU散热器热分析与优化设计周建辉,杨春信(北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083)摘要:利用CFD方法分析了平板直肋片散热器特性,通过多元线性回归建立了散热器换热和流动准则关系式,提供了散热器热阻和熵产率具体表达式;结合熵特性以本文提岀的准则关系式采用约朿条件旳遗传优化箅法对散热器结构进行多参数优化,优化结果与特性分析结论和相关文献吻合键词:CPU散热器;数值模拟;准则关系式;熵产率;优化设计中图分类号:TP303.2文献标识码:B文章编号: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扩展换热表面,从而降低对流换热热阻,但过多的肋片会导致摩擦阻力增大,换热表面流速降低,最终换热热阻不CPU散热器是将CPU核心热量迅速导出的关键,目降反升,这就是目前的散热器设计者们所面临的处境。计前在电子产品中得到广泛应用。散热器按冷却技术分主算流体力学和熵产最小化原理的发展为散热器设计提要有3类:空气对流换热(被动、半主动、主动)、液体冷却供了解决方法:计算流体力学可以根据设计者设定的材换热(水、油和氮气冷却)和相变循环系统(热管)。被动型料、部件参数,模拟散热器使用过程中热量的分布,为设计空气冷却散热器主要侬靠自然对流交换热量,是20世纪者对产品规格或设计进行调整提供了参考;熵产最小化原的90年代以前CPU散热的主要途径。随着电子元器件理(EMG)阐述传热学领域中日益重要的热力学概念,他的功耗加大,出现了靠机箱风扇带走热量的半主动型散热是真实系统热力优化的一种方法。真实系统由于传热、流器。进入奔4的21世纪以来,CPU的高热流密度(103体流动、传质的热力不完美性产生了熵产。作为工程研究105W/cm数量级)的产生成了一股不可抗拒的趋势,于的一种方法,EMG的目的是使热力学和传热学更具有适是芯片的冷却问题就越来越突出,依靠专用风扇冷却用性。利用EMG可以通过参数分析获得几种强化方式CPU的空气强迫对流主动式散热器应运而生。由于制造的能量综合利用效果,还可以确定合理的流动工况参数、成本低廉、工艺简单、具有良好的可靠性,相对于液体冷却结构参数和合理的强化形式无需额外的装置和冷却介质等优势,空气对流换热散热器纵观国内外散热器的研究工作-,主要体现在散热在目前散热器设计中占有主要地位。器的流体和传热特性分析和设计优化两方面,采用的研究散热器性能同时受到几种互相矛盾、冲突的参数或特手段有实验方法、准则关系式方法和CFD方法,而结合熵性的作用,其中的毎一项都希望有更好的表现,但偏偏都特性对散热器进行优化设计还是一片空白。熵特性综合是“牵一发而动全身”的互相影响着,很难令所有表现全面了流体牿性:其王拉力学刍二定律的熵产最小化原提高,即便做到了,也一定会面临着加工、成本等方面的制理比传中国煤化工言息。熵产最小使得不约只能尽量在混乱中寻求一种平衡。例如肋片数增加能可逆(包CNMHG体达到最小,也使能量做功能力损失最小,该方法设计出来的散热器结构能使温收稿日期:2006-03-29度场和速度场的协同程度最好,从而使得对流换热的整体基金项目:国家重点自然科学基金(No.50436010)传热性能达到最优;遗传算法是一类可用于复杂系统优化仪器与仪表周建辉等:PU散热器热分析与优化设计计算的鲁棒搜索算法,遗传算法直接以目标函数值作为搜流密度边界祭件(100000W/m3);散热器壁面上的边界条索信息,不需要目标函数的导数等其他信息。这样对于本件按壁面函数法设置且采用热固耦合,以保证热量能在流文这类目标函数无法求导或很难求导的函数优化问题,遗体和固体间传递。传算法就比较方便。遗传算法同时进行解空间的多点搜计算中采用k-ε方程RNG湍流模型,控制方程求解索,如同在搜索空间上覆盖的一张网,搜索的全局性强,不采用 SIMPLF算法。开始迭代5步计算流场,然后再求易陷入局部最优。实践和理论都已证明了在一定条件下解能量方程50步,基本收敛遗传算法总是以概率1收敛于问题的最优解。2.2特性分析本文研究的內容主要包括:用CFD方法对平板直肋散热器特性包括热特性和流体特性,热特性主要指对片散热器的特性分析(流体和传热及熵特性),建立了准则流换热性能,流体特性主要指摩擦阻力,熵特性综合了两关系式;以熵产率最小为目标函数,采用准则关系式对单者的效果。特性指标分别用努塞尔系数(或散热器热阻参数和多参数散热器进行结构优化摩擦阻力系数和熵产率表示。hD2平板直肋片散热器的特性分析努塞尔系数(1)2.1数值模拟散热器热阻定义:Rm≈(Tm-T)将平板直肋片散热器(如图1)放置在L×W×H的矩△P形通道进行数值风洞实验,平板直肋片散热器和矩形通道的尺寸如表1所示。其中肋片厚度t和肋片间距(s)是变化阻力系数定义:f参数,由于t,s和N(肋片数)满足一定的几何关系,可以认为s和N是同一变量。散热器基板底面中心施加10mm熵产率:S==Sx+S△l0mm均匀加热的热源,用于模拟CPU的散热(P-P)其中:φ是CPU散热量(10W);m是冷却空气质量流量,其他变量参数定义可参见文献[9]根据数值模拟结果,整理岀散热器特性曲线,对于t的散热器,特性曲线如图所示图1平板直肋片散热器结构参数表1计算域物理尺寸(mm)尺寸30552511232222散热器肋片和基板采用铝合金材料,计算时做了如下基本假设:(a)热特性曲线46×103(1)空气物性参数为常数;3.0×103(2)流体在壁面上无滑移42×10328×1034.0×103(3)稳态流场;2.6×10°3.8×10(4)不考虑自然对流影响;E36×10324X1034×103(5)壁面光滑表面3.2×10320×103(6)忽略辐射热传效应;18×103(7)在能量方程式内忽略粘滞损失中国煤化工16×103进口边界给定流体进囗平均流速、进口温度(300K)CNMHGD)厂行性洲线k,ε等值。取进口平均流速为2m/s,紊流动能k取来流速度平均动能的0.5%,按式c=Ck2求取。出囗采用图2t=1mm,U=2m/s,N=3~15散热器特性曲线充分发展边界条件。CPU散热器底面中心处假设为等热从图中可以看出:由于气流有旁通绕流,肋片数增大《现代电子技术》2006年第18期总第233期D新型元器件q时,对流换热效果变差;热阻由于对流换热系数和换热面.09f=1.714积的综合效果,在中间存在最优肋片数N=8,这与文献9]的结论一致。根据公式(4),熵产率由两部分组成,不等温传热引起的熵产数量级是摩擦熵产的10倍左右,因而总熵产率的特性曲线趋势与不等温传热熵产一致;摩擦110熵产随肋片数增加曾上升趋势。当t=1mm,N=8(s=2mm),U=2~7m/s时,特性曲线如图3所示,在对数坐标下,N和∫与R。呈直线关系,通过一元线性回归得到准则关系式n=0.76455R4,f=3.76083R.42200040005000600070008000900010000(a)热特性曲线8000100001200014000(a)热特性曲线300000070008000900010000b)流动阻力特性曲线图4t=1(t/L=0.00398),U=2~7散热器特性曲线该公式的适用范围为:3530