计算机水冷系统散热器的数值模拟及结构优化研究

摘 要：本文对某公司应用于计算机水冷散热系统的管带式交叉流散热器进行性能测试和研究，采用数值模拟分析法，利用simulation CFD软件对该散热器3D模型的流场、温度场、压力场和不同边界条件下进行数值模拟，将分析结果进行可视化处理，分析得出散热器的最佳工况点;并据此利用Pro/E三维设计软件对散热器3D模型的局部结构进行调整和优化，得出散热器优化前、后的性能参数。比较结果发现，优化后的散热器优于原设计散热器的散热性能。

关键词：计算机水冷系统;管带式交叉流散热器;CFD;结构优化;数值模拟

Computer Numerical Simulation of Water Cooling System Radiator and Structure Optimization Research

Li Zhuoxi

CHINA ENERGY ENGINEERING GROUP GUANG DONG POWER ENGINEERING CO.，LTD GuangdongGuangzhou 510735

Abstract：In this paper，the performance test and research of the Tubular-Belt cross-flow radiator used in the computer water-cooled radiation system of a company are carried out，using the method of numerical simulation，and using the simulation of CFD software to the radiator 3D model of flow field，temperature field，pressure field and different boundary conditions to carry on the numerical simulation，the analysis results are visual processing and data analysis;And on the basis of use of Pro/E 3D design software for radiator 3D model of the local structure adjustment and optimization，before and after optimization in the radiator performance parameters are obtained.The comparison results show that the optimized radiator is superior to the heat dissipation performance of the original radiator.

Key words：Computer water-cooling system;Pipe and belt type cross flow radiator;CFD;Structure optimization;Numerical simulation

1 绪论

随着计算机和电路集成技术的不断发展，当前数据中心服务器和计算机的使用性能也不断增强。散热问题已经成为计算机芯片开发研制中的瓶颈，它直接影响芯片的性能、使用寿命和生产成本。有效地传递芯片发出的热量，使芯片在规定的温度极限内工作，这在当今随着 CPU集成度越来越大是极为重要的。[1]管带式水冷散热器具有重量轻、结构紧凑、散热性能好、使用寿命长等优点，已在国内外广泛应用。[2]

通过三维数值模拟的方法，对百叶窗翅片的传热和冷却空气的对流换热进行耦合，分析了百叶窗翅片的几何参数对散热器性能的影响，百叶窗角度为27°，百叶窗间距和翅片间距的比值为1.25时，具有较好的传热性能和综合性能[3];阻力损失主要集中在空气进入百叶窗的入口区域，百叶窗的前端传热效果较好。[1]

2 物理模型的建立及数值模拟分析

數值模拟分析的目的是通过模拟分析得出散热器的流阻特性和传热特性，为优化产品提供数据依据。管带式散热器的主要散热结构为体芯部分，根据文献[5]，带百叶窗结构的管带式体芯结构尺寸的影响因素主要有百叶窗开口尺寸A和B、开口角度β、翅片高度H、波距W、波峰数M、通道数N等。将这些参数定为设计变量：

X→=（A，B，β，H，W，M，N）n（1）

式中：n为设计变量个数。

根据设计要求，本文仅对百叶窗开口尺寸A和B、开口角度β这三个变量做调整优化，其它边界条件有：送风速度Vz（送风量）、送风温度Tz、进水流速Vs（进水流量）和进水温度Ts，下文将对翅片结构、体芯单元结构和散热器整体结构进行数学模型分析。

2.1 翅片结构的数学模型分析

管带翅片的百叶窗结构复杂，本文对散热翅片单独进行结构分析并进行相应的简化处理。实验模型见图1。

该风洞模拟实验旨在分析百叶窗开口角度β、A和B尺寸对翅片的流阻特性和传热特性的影响，换热介质为空气，遵循范德瓦尔方程的变化规律。

（1）分析模型的变量值为开窗角度β，分别对10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°七个不同开角的模型进行模拟分析，选择k-ε标准湍流模型，每一组进行三次模拟运算，一共七组，数据结果取平均值。

（2）为分析在不同边界条件对百叶窗结构性能的影响，以开窗角度25°为例，设置进风速度从1～20 m/s进行不同的仿真分析。主要目的是得到不同风速对压力降的影响。

（3）A和B的值分别为1.75mm和6mm，调整后的值为15mm和5.7mm，翅片结构开窗角度为25°。

2.2 体芯单元结构的数学模型分析

图2为散热器体芯单元的仿真分析模型，模型中管带翅片的百叶窗开角为22°，结构调整后为25°，A和B调整后的值为1.5mm和5.7mm。该模型模拟分析体芯单元部分在结构调整前后温度场和速度场的分布情况及传热特性和流阻特性，变量部分为模型的结构部分，仿真模拟分为调整前后两组，选择的边界条件不变。边界条件：空气流速为5m/s，温度为20℃，水流速度为0.47m/s，进水温度70℃。网格划分为混合网格结构，进行网格滑移处理。

2.3 散热器整体数学模型分析

为了方便求解前处理和减少迭代计算步骤，现将模型中的非关键部位的圆角设置成直角，将侧板部分剪除，管带部分将波峰处的圆弧状改为梯形状，采用边界层替换法[7]简化百叶窗结构，如图3所示。对散热器整体的数值模拟分析，可得到流场和温度场的分布情况。对模型不同的边界条件进行模拟仿真，设置进风速度和进风温度分别为5m/s和25℃，进水温度为70℃，进水流量分别为0.5L/min、0.75 L/min、1.0 L/min、1.5 L/min、20 L/min、2.5 L/min共六组。

3 数值模拟分析结果与数据处理

在上一章中对数值模拟分析模型的建立和求解进行了介绍，经过计算机中迭代运算，得出收敛的仿真结果。结果为云图、截图、表格和曲线形式，经分析对比得出结论，最后与实验结果相比较，验证数值模拟的准确性和可靠性。

3.1 散热器管带百叶窗结构与空气流速的影响

（1）如图5为在空气流速为5m/s下，不同开窗角的温度场分布，分别得出10°～40°七个数值点的分析结果。随着开角增大，对空气的扰流作用也随之增强，对边界层的破坏能力也强。

在对不同百叶窗开角的模型风洞模拟分析中，改变开窗角度对模型的面积的影响可忽略不计。根据比热容公式及牛顿冷却公式可知，风洞进出口的温差大小，即表现出模型的散热状况。已知进口温度都为20℃，在模型中测量空气出口的温度即可得出传热温差，表1为不同开窗角度下的空气出口温度和模拟风洞的压力降数值。

（2）将表1中的出口温度与压降的平均值用坐标图表示（图5），空气的出口温度随开窗角度的增大而增大，拟合曲线的拐点出现在25°，在25°以下，曲线为下凹形状，在这阶段中增大开角总是有利于改善传热效果的;当开角大于25°之后，，曲线为上凹形状，随着开角的继续增大，影响作用力减小，传热效果的改善作用逐渐减弱，最后趨于一个稳定的状态。压降随开窗角度的增大而增大，接近25°点时趋于平缓，曲线为上凹形状。当开角继续增大后，压力降大幅上升，曲线为下凹形状，说明压力降随着开角增大而急剧上升，能量损失则越大。

综上所述，散热器管带翅片百叶结构的开窗角度的最佳值为25°，但考虑到加工工艺条件、技术的限制以及压力损失和传热效果的综合影响，开窗角度为23°～27°之间的综合改善效果基本一致。

（3）以开窗角25°为例，对其进行不同空气流速的仿真，得出压力降随空气流速的数值，根据动能方程式Ek=12mV2，消耗的理比机械功与速度的平方的二分之一成正比，如表2所示：

利用Graph数值函数软件将表2中的压力降和理论比功耗的数值拟合成函数，得到压力降和空气流速的拟合函数为f（x）=0.4x2，拟合因数R2=1，即与二次函数的相似度为99.07%。比较结果发现压力降和理论比功耗可能有着一定的比值关系。

上述表明，随着空气流速的增大，散热器换热量也就越大，但是换热效率随之下降，在选择满足换热器的功率要求的空气流速时，应考虑节能的问题。

（4）图6为调整百叶窗结构A和B前后的温度场分布截面图，由两图对比可以看出，结构调整后翅片的温度场分布要比调整前更加趋于均匀，当量的有效的散热面积更大，数据结果表明管带翅片得到更好的冷却散热效果。

3.2 散热器体芯单元的数值模拟结果

图7模型的温度场分布情况。该体芯单元数值模拟结果数据表明，其他条件不变时，结构优化前的水侧进出口温差为0.743℃，散热功率为23.7W，结构优化后的水侧进出口温差为0.917℃，散热功率为29.3W，散热性能提高23.6%。

3.3 整体散热器的数值模拟分析结果

（1）图8为散热器的稳态分析的温度场切片图，从图中可分析得出，由于中间的空气扰流情况复杂，空气经散热器换热后中间部分的空气温度明显高于两侧的温度，从中间向两侧的温度逐渐降低。在整个空气流域中温度的等值面应为四面双曲线锥形结构，散热器前侧的温度低于后侧的温度。

（2）图9为仿真分析的流场分布切片图，从图中可直观得出空气流经散热器时的流动情况。空气流经散热器管带翅片时受到阻力作用而减小，同时空气的流动受到强烈干扰，增强了换热效果。

（3）进水流量对散热器散热性能的影响。在定风量的情况下，选择不同水流量对模型进行仿真分析，设定进水温度为70℃恒温进水，进水流量和模拟结果见表3。

将表3中数据整理到坐标图中，如图10为散热器的进水流量和散热量的关系，随着水流量的增加，散热器散热量先增后减，在进水流量为1.0L/min时有极值，表明该散热器在进水流量约为1.0L/min（温度为70℃）的散热性能为最佳工况值。图中显示了结果的模拟值和实验值的对比关系，两者的整体变化情况基本一致，说明数值模拟与实验的吻合性。

4 结语

通过利用simulation CFD软件对管带式散热器流场和温度场进行了数值模拟计算，并对散热器的结构进行了优化设计，得到了散热单元流场的内部流动细节与散热器整体的换热分析计算数据，最后和实验结果对比，各项数据偏差范围合理，验证计算方法可行。

总结全文：

（1）散热器散热管带的百叶窗开角在25±2°区间的散热效果最佳;

（2）调整百叶窗结构的开窗尺寸A和B，可提高散热性能;

（3）当选择进水流量约为1.0L/min（水温为70℃）时，散热器的散热量为最大值。

参考文献：

[1]李世伟，吴国荣，袁津震，等.百叶窗结构参数对管带式散热器流动传热特性影响的研究[J].内燃机与动力装置，2012，1：28-31.

[2]徐国涛.台式计算机水冷散热系统优化研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[3]漆波，田晓虎，李隆键，等.车用百叶窗翅片式热交换器空气侧性能的CFD研究[J].天津理工大学学报，2007，32（2）：64-66.

[4]李重焕，崔淑琴，玄哲浩.管带式散热器优化设计实例[J].汽车工程学报，1995，4：18-21.

[5]付卫东，吴金星.管带式换热器动态调节性能研究[J].制冷与空调，2006，6（6）：17-19.

作者简介：李卓喜（1993-），男，工学本科，助理工程师，研究方向：热能与动力工程。