黃延平 曹?chē)?guó)華 王淑坤

(長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

封閉機(jī)箱冷卻流場(chǎng)的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃延平 曹?chē)?guó)華 王淑坤

(長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

機(jī)箱的散熱能力不僅會(huì)影響計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度,也會(huì)影響各元器件的使用壽命。為了提高計(jì)算機(jī)封閉機(jī)箱的散熱能力,依據(jù)湍流理論,建立了機(jī)箱冷卻流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,并采用Icepak電子熱設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件對(duì)排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)方式進(jìn)行了仿真優(yōu)化。通過(guò)分析比較封閉機(jī)箱內(nèi)電子元器件的溫度、熱流速度曲線、風(fēng)流動(dòng)軌跡圖,獲得了較為理想的溫度場(chǎng)的冷卻方式。優(yōu)化結(jié)果表明,該優(yōu)化方案實(shí)用、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確,機(jī)箱散熱效果好,為電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供了一個(gè)較為理想的熱分析方法。

機(jī)箱散熱 層流 湍流 優(yōu)化 零方程模型 熱分析

0 引言

現(xiàn)代生產(chǎn)生活從各方面都進(jìn)入數(shù)字化階段,電子芯片進(jìn)入了各個(gè)領(lǐng)域,如飛機(jī)導(dǎo)航、宇宙飛船對(duì)接、數(shù)字化洗衣機(jī)、電飯鍋、銀行卡、公交卡、門(mén)卡等。2012年中國(guó)進(jìn)口的集成電路芯片價(jià)值1 920億美元,這一數(shù)字超過(guò)了進(jìn)口石油的1 200億美元。據(jù)美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目成果(US Air Force Avionics Integrity Program)表明,溫度是影響元器件可靠性的主要因素。電子設(shè)備的運(yùn)行實(shí)踐也表明,隨著溫度的增加,元器件的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng),這在不同程度上降低了電子設(shè)備的可靠性。另外,封裝后的機(jī)身散熱問(wèn)題也是人們自始至終都在關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于筆記本電腦來(lái)說(shuō),如果使用者手掌與手腕接觸區(qū)域的溫度過(guò)高,會(huì)令人產(chǎn)生不適的感覺(jué),甚至是煩躁。因此,消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)計(jì)算機(jī)時(shí),散熱能力已經(jīng)成為重要指標(biāo)之一,它不但影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度,還會(huì)影響計(jì)算機(jī)的使用壽命。但是對(duì)電子產(chǎn)品系統(tǒng)溫度的控制,一方面是由電子產(chǎn)品本身的制造工藝所決定,另一方面廠商在板型布局和風(fēng)道上的設(shè)計(jì)同樣也會(huì)影響系統(tǒng)表面的溫度。由于計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)芯片等封裝體是處在位移(應(yīng)力應(yīng)變)場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等多場(chǎng)耦合下工作,各種零件的溫度、壽命和損傷主要是由于電子元器件溫度過(guò)高所造成的熱疲勞破壞。ANSYS Icepak軟件組合了高級(jí)求解技術(shù)和健壯的網(wǎng)格功能,從而為電子產(chǎn)品的冷卻提供快速、精確的熱分析結(jié)果[1]。本文基于湍流理論,利用ANSYS Icepak電子熱設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件對(duì)封閉計(jì)算機(jī)機(jī)箱進(jìn)行了流場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用仿真軟件模擬真實(shí)工作環(huán)境的優(yōu)勢(shì),對(duì)封裝體內(nèi)金屬導(dǎo)線進(jìn)行了熱電耦合場(chǎng)熱力學(xué)分析,為電子產(chǎn)品的封裝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[2]。

1 風(fēng)冷卻流場(chǎng)的湍流數(shù)學(xué)模型

計(jì)算機(jī)機(jī)箱流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型主要由2部分組成,一部分是在風(fēng)扇附近的層流場(chǎng);另一部分是風(fēng)遇到電子元器件后,風(fēng)向發(fā)生復(fù)雜的變化,基本符合湍流流動(dòng)的模型。由于機(jī)箱狹小,湍流流動(dòng)是主要部分。在層流邊界層中,流體運(yùn)動(dòng)極為規(guī)則,并能識(shí)別流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的流線。這種極為規(guī)則的行為會(huì)一直持續(xù)到過(guò)渡區(qū),在這個(gè)區(qū)中發(fā)生從層流向湍流的轉(zhuǎn)變。過(guò)渡區(qū)中的狀態(tài)隨時(shí)間而變化,流動(dòng)有時(shí)展現(xiàn)層流的狀態(tài),有時(shí)表現(xiàn)出湍流的特征。從根本上說(shuō),層流向湍流的過(guò)渡是由觸發(fā)機(jī)制引起的,它們可以是流體中自然產(chǎn)生的非穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用,也可以是存在于很多典型的邊界層中的小的擾動(dòng)。

目前常用的求解湍流流動(dòng)的模型有3個(gè),分別為零方程模型(混合長(zhǎng)度模型)、兩方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型)、重整化群(renormalization group,RNG)k-ε模型。兩方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型)遠(yuǎn)比零方程模型復(fù)雜,卻是最簡(jiǎn)單的“復(fù)雜湍流模型”。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只需求解湍動(dòng)能及其擴(kuò)散率的兩個(gè)相互獨(dú)立的傳輸方程即可。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型也是ANSYS Icepak中流動(dòng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型。對(duì)于相當(dāng)范圍的湍流流動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算的魯棒性、經(jīng)濟(jì)性以及適當(dāng)?shù)木_度,使其在湍流流動(dòng)與傳熱的仿真計(jì)算中應(yīng)用廣泛[3]。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下。

k方程:

ε方程:

在ANSYS Icepak中,默認(rèn)值常數(shù)有:C1ε=1.44、C2ε=1.92、Cμ=0.09,湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0、σε=1.3。這些常數(shù)可以通過(guò)改變“黏性模型”面板來(lái)調(diào)整。這些經(jīng)驗(yàn)常數(shù)適用于空氣與水的基本湍流,包括均勻剪切流動(dòng)及衰減的各向同性湍流。它們對(duì)于較寬范圍的壁面耦合流動(dòng)以及自由剪切流動(dòng)適應(yīng)性很好。

1.2 逆效應(yīng)普朗特?cái)?shù)

逆效應(yīng)普朗特?cái)?shù)的RNG理論分析得到如下方程:

式中:α0=1。

在高雷諾數(shù)流動(dòng)問(wèn)題中,μmol/μeff＜＜1,αk=αε= 1.393。

1.3 k-ε模型中對(duì)流傳熱的模擬

在ANSYS Icepak中,對(duì)湍流傳熱的模擬是將雷諾分析概念應(yīng)用于湍流動(dòng)量方程,將熱量傳輸與動(dòng)量傳輸相類(lèi)比而得到的?！澳M”出的傳熱方程如下。

在ANSYS Icepak中,用雷諾相似湍流輸運(yùn)的概念來(lái)模擬熱輸運(yùn)過(guò)程。得到的能量方程為:

式中:E為總能量;(τij)eff為偏應(yīng)力張量。(τij)eff定義為:

式中:(τij)eff表示黏性加熱,通過(guò)耦合求解。

如果默認(rèn)為分別計(jì)算,則ANSYS Icepak不求解(τij)eff。但是可以調(diào)整“黏性模型”面板上的湍流普朗特?cái)?shù)值(Prt),它的默認(rèn)值為0.85。

湍流質(zhì)量輸運(yùn)與熱輸運(yùn)類(lèi)似,默認(rèn)的Schmidt數(shù)為0.7。該值同樣也可以在“黏性模型”面板上調(diào)整。標(biāo)量壁面的計(jì)算與動(dòng)量壁面計(jì)算相似。

α隨μmol/μeff變化,是RNG k-ε模型的優(yōu)勢(shì)。湍流普朗特?cái)?shù)Prt隨(分子)普朗特?cái)?shù)Prt以及湍流狀態(tài)而變化,這與經(jīng)驗(yàn)相一致。方程(3)對(duì)于較寬范圍的(分子)普朗特?cái)?shù)都適用,如液態(tài)金屬(Prt≈10-2)到石蠟(Prt≈103),可以應(yīng)用于低雷諾數(shù)區(qū)域的傳熱計(jì)算。方程(3)能很好地預(yù)測(cè)有效普朗特?cái)?shù)的變化,從分子黏性占主導(dǎo)的區(qū)域(α=Prt)到充分發(fā)展的湍流流動(dòng)區(qū)域(α=1.393)[4]。

2 計(jì)算機(jī)機(jī)箱溫度仿真優(yōu)化過(guò)程

2.1 建模

計(jì)算機(jī)機(jī)箱仿真模型由散熱器、芯片封裝、電容擋風(fēng)塊、風(fēng)扇、排風(fēng)口等零件組成,如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)機(jī)箱模型Fig.1 Model of computer chassis

機(jī)箱內(nèi)每個(gè)零件都賦予了材料的物理屬性,如材料種類(lèi)、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)等,這樣熱仿真的結(jié)果能夠更接近真實(shí)情況。使用ANSYS Icepak優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,可對(duì)機(jī)箱散熱的排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì),排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口有4種組合方式,其組合方式如圖2所示。

圖2 4種組合方式的風(fēng)流動(dòng)軌跡Fig.2 The wind flow trajectories of four combinations

在運(yùn)算求解前,把進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口的坐標(biāo)位置參數(shù)賦給仿真模型。ANSYS Icepak軟件自動(dòng)優(yōu)化功能很強(qiáng),能夠進(jìn)行最合理的優(yōu)化計(jì)算,并求出每種組合的溫度、風(fēng)速、熱流量等結(jié)果,為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供真實(shí)仿真數(shù)據(jù)[5-7]。

2.2 優(yōu)化約束條件及目標(biāo)

為了滿足機(jī)箱的功能要求,熱分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候必須滿足3個(gè)條件,即每個(gè)零件發(fā)熱功率不能改變;機(jī)箱和電子元器件尺寸大小不能改變;電氣元件之間的距離不變。因此,選擇上述3個(gè)條件作為優(yōu)化的約束條件,對(duì)機(jī)箱溫度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是:使機(jī)箱溫度最低,各個(gè)零部件之間溫度差最小。根據(jù)建模過(guò)程分析,機(jī)箱發(fā)熱電子器件共5個(gè):芯片1、芯片2、芯片3和2個(gè)存儲(chǔ)卡。該機(jī)箱散熱方式有兩種,一種是靠?jī)蓚€(gè)鋁合金散熱器散熱;另一種是靠排風(fēng)扇,強(qiáng)制冷卻。

鋁合金散熱器散熱的效果和它的材質(zhì)、體積、表面積有關(guān),這里不予討論。在此主要探討排風(fēng)口和風(fēng)扇最佳組合位置,實(shí)現(xiàn)溫度低、溫差小的優(yōu)化目標(biāo)。該仿真模型所施加的載荷為:3個(gè)芯片都是5 W;2個(gè)儲(chǔ)存卡是1 W;風(fēng)扇的排風(fēng)量定為28.318 5 L/min;求解的迭代次數(shù)為100次;收斂的能量殘差設(shè)置為1e-7。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 機(jī)箱溫度和熱流速度分析

機(jī)箱各組件的溫度如表1所示。

表1 各電子元器件溫度數(shù)據(jù)表Tab.1 Temperature data of various electronic components ℃

4種組合方式下的機(jī)箱熱流速度曲線如圖3所示。

圖3 4種組合方式下的機(jī)箱熱流速度曲線Fig.3 Curves of four combinations heat velocity

從機(jī)箱溫度分布上來(lái)看,風(fēng)扇和排風(fēng)口組合有4種組合。其中,第一種和第二種組合,機(jī)箱溫度比較高,有的電子元器件的最高溫度都可以達(dá)到70～80℃,且電子元器件之間的溫度差別很大,最低與最高溫度相差高達(dá)近50 K,這是熱設(shè)計(jì)里最忌諱的,會(huì)造成封裝體翹曲變形量會(huì)很大、芯片開(kāi)裂破損、金屬導(dǎo)線短路、發(fā)錯(cuò)信號(hào)、計(jì)算機(jī)死機(jī)等嚴(yán)重事故。從熱流速度分布圖上看,第一種組合、第二種組合、第四種組合機(jī)箱內(nèi)的熱流曲線不連續(xù),有劇烈的起伏,證明這3個(gè)位置組合中,機(jī)箱溫度場(chǎng)分布不均勻,機(jī)箱內(nèi)溫度高低差別很大。第三種組合熱流速度曲線最為流暢,連續(xù)性好,沒(méi)有劇烈的起伏。所以,根據(jù)機(jī)箱溫度和熱流速度分析的結(jié)果,第三種組合位置比較合理。

3.2 機(jī)箱內(nèi)風(fēng)流動(dòng)軌跡分析

ANSYS Icepak軟件可以進(jìn)行風(fēng)流動(dòng)軌跡仿真,用戶(hù)可以很直觀地了解冷卻風(fēng)的流動(dòng)走向,幫助設(shè)計(jì)者判斷仿真計(jì)算結(jié)果是否和工程實(shí)際相吻合,有利于確定更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)機(jī)箱進(jìn)行風(fēng)流動(dòng)軌跡分析的結(jié)果如圖2所示。

排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口共有4種組合,從機(jī)箱內(nèi)風(fēng)流動(dòng)軌跡中可以看到,第一種組合、第二種組合、第四種組合,機(jī)箱內(nèi)風(fēng)的流動(dòng)軌跡都是在機(jī)箱里打轉(zhuǎn),都有圓圈狀盤(pán)旋,從排風(fēng)口帶走的熱量很少,冷卻效果不好,第三種組合機(jī)箱內(nèi)的風(fēng)流動(dòng)軌跡接近線型,冷卻效果最佳。第三種組合風(fēng)流動(dòng)的軌跡即是我們最后選擇的優(yōu)化組合,這和計(jì)算的結(jié)果一致。

3.3 電子元件溫度分布情況分析

表1所示為機(jī)箱內(nèi)每個(gè)電子元器件的溫度,這為PCB板上電子元件的布局提供依據(jù)。設(shè)計(jì)機(jī)箱時(shí)應(yīng)該把發(fā)熱高的零件放在冷卻條件好的位置,避免將其放在死角,從而使其迅速降溫,避免熱應(yīng)力造成的破壞,提高電子設(shè)備的可靠性。

根據(jù)每個(gè)電子元件溫度,還可以根據(jù)它承受高溫、高熱的能力,給予適當(dāng)?shù)牟季终{(diào)整,這樣使其在更合適的環(huán)境溫度下工作。設(shè)計(jì)者也可以根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)每個(gè)電子元件乃至機(jī)箱的使用壽命,判斷該設(shè)計(jì)是否需要調(diào)整,能否到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)主要有運(yùn)算速度、散熱能力、電池的續(xù)航能力等。其中散熱能力是重要指標(biāo)之一,所以計(jì)算機(jī)的溫度控制和散熱都要做出廠測(cè)試,其散熱能力測(cè)試的數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)。本文基于湍流理論對(duì)封閉機(jī)箱冷卻流場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以把封閉計(jì)算機(jī)機(jī)箱的溫度分布進(jìn)行有效控制,不僅提高了計(jì)算機(jī)的散熱能力,為計(jì)算機(jī)的熱設(shè)計(jì)提供了一個(gè)便捷高效的實(shí)用方法,也為其他電子產(chǎn)品的溫度場(chǎng)仿真優(yōu)化分析提供了依據(jù)。本文的主要研究結(jié)果如下。

①利用湍流理論建立了機(jī)箱冷卻流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,采用Icepak電子熱設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化分析[8-9]。在保證每個(gè)零件發(fā)熱功率不變、機(jī)箱和電子元器件尺寸大小不變、電氣元件之間距離不變的條件下,對(duì)不同散熱方式組合的機(jī)箱溫度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明,同樣的機(jī)箱條件,溫度最大降幅可達(dá)50 K。

②利用專(zhuān)業(yè)的電子熱分析Icepak軟件,對(duì)系統(tǒng)級(jí)(機(jī)箱、機(jī)柜等)進(jìn)行分析和優(yōu)化,不僅可以得到系統(tǒng)的溫度和熱流速度曲線,以及系統(tǒng)內(nèi)電子元器件的溫度分布情況,而且可以直觀地看到封閉系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)流動(dòng)軌跡,為電子產(chǎn)品的封裝和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。這種分析方法可以大幅度提高產(chǎn)品的一次性成功率、改善電子產(chǎn)品的性能、提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間[10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)湍流理論,在建立的兩方程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,使用Icepak電子熱設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件對(duì)機(jī)箱冷卻流場(chǎng)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。在機(jī)箱體積不變、各組件發(fā)熱功率不變、冷卻方法不變的情況下,比較了4種熱設(shè)計(jì)方案,并選出了最為合理的設(shè)計(jì)方法。從幾個(gè)方案計(jì)算的結(jié)果可知,溫差相差很大,因此,說(shuō)明了對(duì)機(jī)箱、機(jī)柜等電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)時(shí),必須要進(jìn)行散熱方式優(yōu)化,提高這類(lèi)電子產(chǎn)品的散熱能力。這是保證計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的運(yùn)算速度和延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。

[1] 陳潔茹,朱敏波,齊穎.Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2005(1):14-16.

[2] Incropera F P,DeWitt D P,Bergman T L.傳熱和傳質(zhì)基本原理[M].葛新石,葉宏,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:219-222.

[3] 張洪才,孫長(zhǎng)青.ANSYS 14.0/FLOTRAN理論解析與工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:24-34.

[4] 謝龍漢,趙新宇,張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012:11-22.

[5] Hamza D,Pahlevaninezhad M,Jain P K.Implementation of a novel digital active EMI technique in a DSP-based DC-DC digital controller used in electric vehicle(EV)[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(7):3126-3137.

[6] Matolak D W,Kodi A,Kaya S.Wireless networks-on-chips:architecture, wireless channel,and devices[J].IEEE Wireless Communications,2012, 19(5):58-65.

[7] 買(mǎi)買(mǎi)提明,陳華磊.ANSYS Workbench 14.0仿真技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013:220-228.

[8] 蘭海,鄧種華,劉著光,等.LED的COB封裝熱仿真設(shè)計(jì)[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2012,33(5):535-539.

[9] Organ J,Finkelstein T.Thermo dynamics and gas dynamics of the stirling cycle machine[M].Cambridge:Cambridge University Press, 2010:12-18.

[10] Yin Yonggao,Li Shuhong,Zhang Xiaosong,et al.Feasibility and performance analysis of a desiccant solution regenerator using hot air[J].Energy and Buildings,2011,43(5):1097-1104.

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

吉林省科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(編號(hào):20100522)。

修改稿收到日期:2014-04-06。

黃延平(1968-),男,1986年畢業(yè)于吉林大學(xué)材料專(zhuān)業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,教授;主要從事電子封裝的研究。