封闭机箱冷却流场的热优化设计

黄延平 曹国华 王淑坤

(长春理工大学机电工程学院,吉林 长春 130022)

封闭机箱冷却流场的热优化设计

黄延平 曹国华 王淑坤

(长春理工大学机电工程学院,吉林 长春 130022)

机箱的散热能力不仅会影响计算机的计算速度,也会影响各元器件的使用寿命。为了提高计算机封闭机箱的散热能力,依据湍流理论,建立了机箱冷却流场数学模型,并采用Icepak电子热设计专用软件对排风和进风方式进行了仿真优化。通过分析比较封闭机箱内电子元器件的温度、热流速度曲线、风流动轨迹图,获得了较为理想的温度场的冷却方式。优化结果表明,该优化方案实用、简单、准确,机箱散热效果好,为电子产品热设计提供了一个较为理想的热分析方法。

机箱散热 层流 湍流 优化 零方程模型 热分析

0 引言

现代生产生活从各方面都进入数字化阶段,电子芯片进入了各个领域,如飞机导航、宇宙飞船对接、数字化洗衣机、电饭锅、银行卡、公交卡、门卡等。2012年中国进口的集成电路芯片价值1 920亿美元,这一数字超过了进口石油的1 200亿美元。据美国空军航空电子整体研究项目成果(US Air Force Avionics Integrity Program)表明,温度是影响元器件可靠性的主要因素。电子设备的运行实践也表明,随着温度的增加,元器件的失效率呈指数增长,这在不同程度上降低了电子设备的可靠性。另外,封装后的机身散热问题也是人们自始至终都在关注的问题。对于笔记本电脑来说,如果使用者手掌与手腕接触区域的温度过高,会令人产生不适的感觉,甚至是烦躁。因此,消费者在购买计算机时,散热能力已经成为重要指标之一,它不但影响计算机的运算速度,还会影响计算机的使用寿命。但是对电子产品系统温度的控制,一方面是由电子产品本身的制造工艺所决定,另一方面厂商在板型布局和风道上的设计同样也会影响系统表面的温度。由于计算机机箱内芯片等封装体是处在位移(应力应变)场、电磁场、温度场、流场等多场耦合下工作,各种零件的温度、寿命和损伤主要是由于电子元器件温度过高所造成的热疲劳破坏。ANSYS Icepak软件组合了高级求解技术和健壮的网格功能,从而为电子产品的冷却提供快速、精确的热分析结果[1]。本文基于湍流理论,利用ANSYS Icepak电子热设计专用软件对封闭计算机机箱进行了流场的优化设计,并利用仿真软件模拟真实工作环境的优势,对封装体内金属导线进行了热电耦合场热力学分析,为电子产品的封装设计提供了理论依据[2]。

1 风冷却流场的湍流数学模型

计算机机箱流场的数学模型主要由2部分组成,一部分是在风扇附近的层流场;另一部分是风遇到电子元器件后,风向发生复杂的变化,基本符合湍流流动的模型。由于机箱狭小,湍流流动是主要部分。在层流边界层中,流体运动极为规则,并能识别流体质点运动的流线。这种极为规则的行为会一直持续到过渡区,在这个区中发生从层流向湍流的转变。过渡区中的状态随时间而变化,流动有时展现层流的状态,有时表现出湍流的特征。从根本上说,层流向湍流的过渡是由触发机制引起的,它们可以是流体中自然产生的非稳定流动结构之间的相互作用,也可以是存在于很多典型的边界层中的小的扰动。

目前常用的求解湍流流动的模型有3个,分别为零方程模型(混合长度模型)、两方程模型(标准k-ε模型)、重整化群(renormalization group,RNG)k-ε模型。两方程模型(标准k-ε模型)远比零方程模型复杂,却是最简单的“复杂湍流模型”。标准k-ε模型只需求解湍动能及其扩散率的两个相互独立的传输方程即可。标准k-ε模型也是ANSYS Icepak中流动设计中应用最为广泛的湍流模型。对于相当范围的湍流流动,标准k-ε模型计算的鲁棒性、经济性以及适当的精确度,使其在湍流流动与传热的仿真计算中应用广泛[3]。

1.1 标准k-ε的湍流方程

标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程如下。

k方程:

ε方程:

在ANSYS Icepak中,默认值常数有:C1ε=1.44、C2ε=1.92、Cμ=0.09,湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0、σε=1.3。这些常数可以通过改变“黏性模型”面板来调整。这些经验常数适用于空气与水的基本湍流,包括均匀剪切流动及衰减的各向同性湍流。它们对于较宽范围的壁面耦合流动以及自由剪切流动适应性很好。

1.2 逆效应普朗特数

逆效应普朗特数的RNG理论分析得到如下方程:

式中:α0=1。

在高雷诺数流动问题中,μmol/μeff＜＜1,αk=αε= 1.393。

1.3 k-ε模型中对流传热的模拟

在ANSYS Icepak中,对湍流传热的模拟是将雷诺分析概念应用于湍流动量方程,将热量传输与动量传输相类比而得到的。“模拟”出的传热方程如下。

在ANSYS Icepak中,用雷诺相似湍流输运的概念来模拟热输运过程。得到的能量方程为:

式中:E为总能量;(τij)eff为偏应力张量。(τij)eff定义为:

式中:(τij)eff表示黏性加热,通过耦合求解。

如果默认为分别计算,则ANSYS Icepak不求解(τij)eff。但是可以调整“黏性模型”面板上的湍流普朗特数值(Prt),它的默认值为0.85。

湍流质量输运与热输运类似,默认的Schmidt数为0.7。该值同样也可以在“黏性模型”面板上调整。标量壁面的计算与动量壁面计算相似。

α随μmol/μeff变化,是RNG k-ε模型的优势。湍流普朗特数Prt随(分子)普朗特数Prt以及湍流状态而变化,这与经验相一致。方程(3)对于较宽范围的(分子)普朗特数都适用,如液态金属(Prt≈10-2)到石蜡(Prt≈103),可以应用于低雷诺数区域的传热计算。方程(3)能很好地预测有效普朗特数的变化,从分子黏性占主导的区域(α=Prt)到充分发展的湍流流动区域(α=1.393)[4]。

2 计算机机箱温度仿真优化过程

2.1 建模

计算机机箱仿真模型由散热器、芯片封装、电容挡风块、风扇、排风口等零件组成,如图1所示。

图1 计算机机箱模型Fig.1 Model of computer chassis

机箱内每个零件都赋予了材料的物理属性,如材料种类、密度、导热系数、比热、热膨胀系数等,这样热仿真的结果能够更接近真实情况。使用ANSYS Icepak优化设计模块,可对机箱散热的排风口和进风口设置进行优化。

根据常规设计,排风口和进风口有4种组合方式,其组合方式如图2所示。

图2 4种组合方式的风流动轨迹Fig.2 The wind flow trajectories of four combinations

在运算求解前,把进风口和排风口的坐标位置参数赋给仿真模型。ANSYS Icepak软件自动优化功能很强,能够进行最合理的优化计算,并求出每种组合的温度、风速、热流量等结果,为确定最优设计方案提供真实仿真数据[5-7]。

2.2 优化约束条件及目标

为了满足机箱的功能要求,热分析优化设计的时候必须满足3个条件,即每个零件发热功率不能改变;机箱和电子元器件尺寸大小不能改变;电气元件之间的距离不变。因此,选择上述3个条件作为优化的约束条件,对机箱温度场进行优化设计。优化设计的目标是:使机箱温度最低,各个零部件之间温度差最小。根据建模过程分析,机箱发热电子器件共5个:芯片1、芯片2、芯片3和2个存储卡。该机箱散热方式有两种,一种是靠两个铝合金散热器散热;另一种是靠排风扇,强制冷却。

铝合金散热器散热的效果和它的材质、体积、表面积有关,这里不予讨论。在此主要探讨排风口和风扇最佳组合位置,实现温度低、温差小的优化目标。该仿真模型所施加的载荷为:3个芯片都是5 W;2个储存卡是1 W;风扇的排风量定为28.318 5 L/min;求解的迭代次数为100次;收敛的能量残差设置为1e-7。

3 计算结果与分析

3.1 机箱温度和热流速度分析

机箱各组件的温度如表1所示。

表1 各电子元器件温度数据表Tab.1 Temperature data of various electronic components ℃

4种组合方式下的机箱热流速度曲线如图3所示。

图3 4种组合方式下的机箱热流速度曲线Fig.3 Curves of four combinations heat velocity

从机箱温度分布上来看,风扇和排风口组合有4种组合。其中,第一种和第二种组合,机箱温度比较高,有的电子元器件的最高温度都可以达到70～80℃,且电子元器件之间的温度差别很大,最低与最高温度相差高达近50 K,这是热设计里最忌讳的,会造成封装体翘曲变形量会很大、芯片开裂破损、金属导线短路、发错信号、计算机死机等严重事故。从热流速度分布图上看,第一种组合、第二种组合、第四种组合机箱内的热流曲线不连续,有剧烈的起伏,证明这3个位置组合中,机箱温度场分布不均匀,机箱内温度高低差别很大。第三种组合热流速度曲线最为流畅,连续性好,没有剧烈的起伏。所以,根据机箱温度和热流速度分析的结果,第三种组合位置比较合理。

3.2 机箱内风流动轨迹分析

ANSYS Icepak软件可以进行风流动轨迹仿真,用户可以很直观地了解冷却风的流动走向,帮助设计者判断仿真计算结果是否和工程实际相吻合,有利于确定更优的设计方案。对机箱进行风流动轨迹分析的结果如图2所示。

排风口和进风口共有4种组合,从机箱内风流动轨迹中可以看到,第一种组合、第二种组合、第四种组合,机箱内风的流动轨迹都是在机箱里打转,都有圆圈状盘旋,从排风口带走的热量很少,冷却效果不好,第三种组合机箱内的风流动轨迹接近线型,冷却效果最佳。第三种组合风流动的轨迹即是我们最后选择的优化组合,这和计算的结果一致。

3.3 电子元件温度分布情况分析

表1所示为机箱内每个电子元器件的温度,这为PCB板上电子元件的布局提供依据。设计机箱时应该把发热高的零件放在冷却条件好的位置,避免将其放在死角,从而使其迅速降温,避免热应力造成的破坏,提高电子设备的可靠性。

根据每个电子元件温度,还可以根据它承受高温、高热的能力,给予适当的布局调整,这样使其在更合适的环境温度下工作。设计者也可以根据表中提供的数据,预测每个电子元件乃至机箱的使用寿命,判断该设计是否需要调整,能否到达设计要求。

4 结论

计算机的关键性能指标主要有运算速度、散热能力、电池的续航能力等。其中散热能力是重要指标之一,所以计算机的温度控制和散热都要做出厂测试,其散热能力测试的数据作为评价计算机性能好坏的重要指标。本文基于湍流理论对封闭机箱冷却流场的优化设计,可以把封闭计算机机箱的温度分布进行有效控制,不仅提高了计算机的散热能力,为计算机的热设计提供了一个便捷高效的实用方法,也为其他电子产品的温度场仿真优化分析提供了依据。本文的主要研究结果如下。

①利用湍流理论建立了机箱冷却流场数学模型,采用Icepak电子热设计专用软件对流场进行仿真和优化分析[8-9]。在保证每个零件发热功率不变、机箱和电子元器件尺寸大小不变、电气元件之间距离不变的条件下,对不同散热方式组合的机箱温度场进行优化设计。优化结果表明,同样的机箱条件,温度最大降幅可达50 K。

②利用专业的电子热分析Icepak软件,对系统级(机箱、机柜等)进行分析和优化,不仅可以得到系统的温度和热流速度曲线,以及系统内电子元器件的温度分布情况,而且可以直观地看到封闭系统内的风流动轨迹,为电子产品的封装和散热系统设计提供理论依据。这种分析方法可以大幅度提高产品的一次性成功率、改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的设计时间[10]。

5 结束语

依据湍流理论,在建立的两方程数学模型基础上,使用Icepak电子热设计专用软件对机箱冷却流场进行了热设计优化。在机箱体积不变、各组件发热功率不变、冷却方法不变的情况下,比较了4种热设计方案,并选出了最为合理的设计方法。从几个方案计算的结果可知,温差相差很大,因此,说明了对机箱、机柜等电子设备热设计时,必须要进行散热方式优化,提高这类电子产品的散热能力。这是保证计算机等产品的运算速度和延长使用寿命的关键。

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Thermal Optimized Design of the Cooling Flow Field for Enclosed Chassis

The heat dissipation capability of the chassis not only affects the operation speed of the computer,but also affects the life cycle of various components.In order to improve the heat dissipation capability of the enclosed chassis,based on turbulence theory the mathematical model of cooling flow field of the chassis is established.In addition,the simulation optimization is conducted for exhaust and air intake mode by adopting Icepak dedicated electronics thermal design software.Through analyzing and comparing the temperature,heat flux curve,airflow trajectory of electronic components inside chassis,the ideal cooling mode for temperature field is obtained.The result of optimization shows that this strategy is practicable,simple,and accurate for heat dissipation of the chassis.It provides ideal thermal analysis method for thermal design of electronic products.

Chassis heat dissipation Laminar flow Turbulence Optimization Zero equation model Thremal analysis

TH702

A

吉林省科技发展基金资助项目(编号:20100522)。

修改稿收到日期:2014-04-06。

黄延平(1968-),男,1986年毕业于吉林大学材料专业,获学士学位,教授;主要从事电子封装的研究。