[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品] 基于phoenics軟件的射流式風(fēng)冷散熱器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 概述2</b></p><p>　　1.2 CPU散熱技術(shù)簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.2.1 空氣對(duì)流換熱散熱器2</p>

2、<p>　　1.2.2 液體冷卻式熱散熱器3</p><p>　　1.2.3 相變循環(huán)系統(tǒng)散熱器4</p><p>　　1.2.4 新型技術(shù)散熱器5</p><p>　　1.3 本論文研究的內(nèi)容6</p><p>　　2 射流式風(fēng)冷散熱器7</p><p>　　2.1 射流式風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)7

3、</p><p>　　2.2 射流式風(fēng)冷散熱器的工作原理7</p><p>　　2.3 射流式風(fēng)冷散熱器的影響因素8</p><p>　　3模擬計(jì)算及后處理軟件介紹12</p><p>　　3.1 模擬計(jì)算軟件介紹12</p><p>　　3.1.1 常規(guī)CFD軟件13</p><p>

4、;　　3.1.2 本文所用模擬軟件14</p><p>　　3.2 后處理軟件介紹16</p><p>　　3.3 軟件的綜合應(yīng)用17</p><p>　　4計(jì)算結(jié)果處理18</p><p>　　4.1建立模型18</p><p>　　4.1.1 散熱器實(shí)際模型18</p><p>

5、　　4.1.2 散熱器理論模型18</p><p>　　4.2 計(jì)算結(jié)果19</p><p>　　4.2.1 翅片溫度隨進(jìn)風(fēng)位置的變化19</p><p>　　4.2.2 特殊溫度點(diǎn)以及分析21</p><p><b>　　4.3 結(jié)論22</b></p><p>　　5 結(jié)論與展望2

6、3</p><p><b>　　致 謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　眾所周

7、知電腦的核心元件是CPU，它能否正常工作至關(guān)重要，而保護(hù)它正常工作的部件之一有散熱器的責(zé)任，隨著電腦技術(shù)的飛速發(fā)展隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，電腦已成為人們重要的學(xué)習(xí)，生活和工怍的工具之一，是人們忠實(shí)的助手近年來(lái)電腦內(nèi)部越來(lái)越棘手的散熱問(wèn)題已成為倍受關(guān)注的焦點(diǎn)。散熱問(wèn)題的解決，除了必要的散熱環(huán)境外，最終要落實(shí)到散熱器上，散熱器的發(fā)展對(duì)于CPU的發(fā)展已起著舉足輕重的作用。</p><p>　　為了提高運(yùn)算性能，CPU單位面積

8、內(nèi)集成的晶體管數(shù)量不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致總的能量消耗以及因此而轉(zhuǎn)換的熱量直線上升。目前CPU芯片的發(fā)熱量已猛增到每平厘米70W-80W，透過(guò)散熱器基板傳導(dǎo)的熱流密度已高達(dá)10w/m2-105w/m2 量級(jí)[1]，而且其體積越來(lái)越小，頻率和集成度卻大幅度提高，高熱流密度的產(chǎn)生使芯片冷卻問(wèn)題越來(lái)越突出。目前Intel公司生產(chǎn)的臺(tái)式機(jī)酷睿系列CPU其最大發(fā)熱量達(dá)130W。2000年美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì),到2011年高性能微處理器芯片功耗將高達(dá)177

9、W。</p><p>　　高溫會(huì)對(duì)芯片的性能產(chǎn)生極其有害的影響，芯片溫度每升高1℃其運(yùn)行可靠性降低3.8%，而芯片溫度每下降10%其壽命增加50%。研究表明電子設(shè)備失效有55％是由于過(guò)熱引起[2]。因此作為CPU冷卻的主要器件散熱器也得到了顯著關(guān)注[3-4]。</p><p>　　及時(shí)有效地傳出芯片發(fā)出的熱量，使芯片在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，這對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展極為重要。</p>

10、<p>　　1.2 CPU散熱技術(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　目前CPU散熱器按冷卻技術(shù)分主要有3類(lèi)：空氣對(duì)流換熱(被動(dòng)、半主動(dòng)、主動(dòng))，液體冷卻換熱(水、油和氮?dú)饫鋮s)和相變循環(huán)系統(tǒng)(熱管)。</p><p>　　1.2.1 空氣對(duì)流換熱散熱器</p><p>　　空氣對(duì)流換熱散熱方式中風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的散熱方式，相比較而言，也是較廉價(jià)的方式。風(fēng)冷散熱從實(shí)

11、質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)環(huán)境依賴(lài)比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。</p><p>　　主動(dòng)式散熱是通過(guò)散熱片將CPU產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中, 因?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果不是很好，其散熱的效果與散熱片大小成正比。面積越大散熱效果越好。這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單且安全, 不需額外耗電，而且不用擔(dān)心有風(fēng)扇壞掉的危險(xiǎn)。但散熱效果不理想,對(duì)較

12、大功率的CPU散熱需要要很大的散熱面積才能達(dá)到散熱效果,在有效空間的計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)很不現(xiàn)實(shí)，因此這種散熱方式主要用于產(chǎn)熱量不嚴(yán)重的電子元件的散熱。隨著電子元器件的功耗加大,出現(xiàn)了靠機(jī)箱風(fēng)扇帶走熱量的半主動(dòng)型散熱器。被動(dòng)式散熱是利用風(fēng)扇等散熱設(shè)備將散熱片上的熱強(qiáng)制性帶走,這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是散熱效率高, 而且設(shè)備體積小,是目前給CPU散熱的主要方式。在被動(dòng)式散熱方式中,根據(jù)其散熱介質(zhì)的不同,又可分為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、半導(dǎo)體制冷散熱、熱導(dǎo)管

13、散熱和化學(xué)制冷散熱等四種方式。</p><p>　　其中風(fēng)冷散熱方式又分為平掠式和射流式兩種。平掠式-氣流平行于散熱器表面流過(guò)，平行送風(fēng)溫度分布不對(duì)稱(chēng)，流場(chǎng)以層流為主，因此散熱效果欠佳。射流式-氣流垂直沖擊散熱器表面，垂直送風(fēng)時(shí)溫度分布是左右對(duì)稱(chēng)，在流場(chǎng)中造成很大的擾動(dòng)，在散熱器表面形成廣泛的紊流區(qū)，散熱效果好。風(fēng)冷散熱發(fā)展比較早，能滿足一般CPU的散熱要求。</p><p>　　圖1-1

14、 風(fēng)冷散熱器機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　1.2.2 液體冷卻式熱散熱器</p><p>　　液冷散熱(強(qiáng)制間接液冷)是通過(guò)液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴(lài)小等等優(yōu)點(diǎn)。液冷的價(jià)格相對(duì)較高，而且安裝也相對(duì)麻煩一些。同時(shí)安裝時(shí)盡量按照說(shuō)明書(shū)指導(dǎo)的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導(dǎo)熱液體，因此液冷散熱

15、器也常常被稱(chēng)為水冷散熱器。</p><p>　　圖1-2 液冷散熱器機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　1.2.3 相變循環(huán)系統(tǒng)散熱器</p><p>　　常見(jiàn)的相變冷卻散熱器有熱管裝置，它是一種高效傳熱元件，充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距

16、離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。</p><p>　　圖1-3 導(dǎo)熱管熱器機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　目前出現(xiàn)了一種較新型的相變冷卻方式，即化學(xué)制冷，它使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們?cè)谌诨臅r(shí)候吸收大量的熱量來(lái)降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見(jiàn)。比如使用干冰可以將溫度降低到

17、零下20℃以下，還有一些更“變態(tài)”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上)，當(dāng)然由于價(jià)格昂貴和持續(xù)時(shí)間太短，這個(gè)方法多見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室。</p><p>　　1.2.4 新型技術(shù)散熱器</p><p>　　半導(dǎo)體制冷是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時(shí)產(chǎn)生溫差來(lái)制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個(gè)半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個(gè)制冷片由幾十個(gè)這樣的顆粒

18、串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個(gè)表面形成一個(gè)溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，冷面溫度可以達(dá)到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能會(huì)因溫度過(guò)低導(dǎo)致CPU結(jié)露造成短路，而且現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱谩?lt;/p><p>　　微通道散熱的概念最早由 Tuckerman和Peace于1981年提出,它是由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料

19、構(gòu)成。根據(jù)Riddle等的研究：流量一定時(shí),矩形通道中流體總的熱傳導(dǎo)系數(shù)與通道水力直徑成反比。隨著通道直徑的減小,換熱系數(shù)相應(yīng)增加,同時(shí)系統(tǒng)的散熱面積與體積比也顯著增加。因此盡管體積不斷減小,散熱能力反而得到極大的提高。兩種具有相同長(zhǎng)度和高度的微通道集熱器,當(dāng)微管道寬度為10μm時(shí),CPU溫度為65℃，而當(dāng)寬度為100μm時(shí)，CPU溫度則高達(dá)85℃，顯然寬度越小對(duì)散熱越有利。因此，尺寸因素對(duì)微通道散熱器的影響是至關(guān)重要的，而這又直接影響

20、了CPU的運(yùn)行性能。據(jù)其官方網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)，散熱通量甚至可達(dá)1000 W/cm2，體積小重量輕、無(wú)噪聲、性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)，與芯片的集成性好，成本低等。此外，微通道的堵塞問(wèn)題，低雷諾數(shù)下微流體的流動(dòng)問(wèn)題都是極需深入探討的。隨著微通道散熱器本身的技術(shù)進(jìn)一步完善，這種產(chǎn)品將有更大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)需求。</p><p>　　對(duì)常用冷卻技術(shù)的功耗做一比較，如表1：</p><p>　　表1-1

21、 常用冷卻技術(shù)單位面積的最大功耗[5]</p><p>　　由次看出相變冷卻單位傳熱面積的功耗最大，耗電量也最大。液冷次之，空氣自然對(duì)流和輻射和強(qiáng)迫風(fēng)冷很小。強(qiáng)迫對(duì)流冷卻散熱器的功耗大小在于散然風(fēng)扇的功率，風(fēng)扇提供一定的風(fēng)速，風(fēng)扇需要一定的能耗。一般風(fēng)扇能耗較小所以強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式適合一般用戶的使用，有效降低了能耗。</p><p>　　雖然液冷散熱器的散熱效果要比風(fēng)冷散熱器好，沒(méi)有噪音但

22、是自身系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格較昂貴，需要良好的通風(fēng)環(huán)境，并且體積大安裝和維護(hù)不方便，容易滴漏、安全性不高與液冷散熱器相比翅片式散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(但有風(fēng)扇噪音)，價(jià)格低廉(比較其它散熱方法)，安全可靠，技術(shù)成熟，對(duì)CPU來(lái)說(shuō)翅片式散熱器已經(jīng)足夠之所以被廣泛應(yīng)用[6]。</p><p>　　1.3 本論文研究的內(nèi)容</p><p>　　散熱器成為制約CPU發(fā)展的一項(xiàng)重要研究。蒸發(fā)冷卻、噴射冷卻、微槽通道

23、受迫對(duì)流冷卻等高效的冷卻技術(shù)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，但由于成本和價(jià)格的限制，這些技術(shù)很難廣泛用于普通用戶。被動(dòng)型空氣冷卻散熱器主要依靠自然對(duì)流交換熱量,是20世紀(jì)的90年代以前CPU散熱的主要途徑。依靠專(zhuān)用風(fēng)扇冷卻CPU的空氣強(qiáng)迫對(duì)流主動(dòng)式散熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，成本較低，散熱效果明顯，適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)品更新?lián)Q代靈活等特點(diǎn)成為當(dāng)今散熱技術(shù)的主流[7]。</p><p>　　本論文針對(duì)一般用戶CPU的散熱功率進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

24、目前常用的計(jì)算機(jī)CPU功率一般在60W～95W之間，CPU允許的最高溫度在70～80℃之間，超過(guò)80℃可能造成永久性損壞。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中翅片基底溫度必須保持在70℃以下。</p><p>　　通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)風(fēng)冷翅片式CPU散熱器的工作原理及優(yōu)化方式做了系統(tǒng)的了解，并利用PHOENICS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析研究，得出翅片散熱器的換熱特性及流動(dòng)特性。運(yùn)用PHOENICS數(shù)值模擬軟件對(duì)射流式CPU散熱器進(jìn)行優(yōu)化

25、設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)位置翅片式散熱器的換熱特性及流動(dòng)特性的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化組合得出最優(yōu)的散熱器結(jié)構(gòu)，本文采用Phoenics Reader軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出翅片的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布情況，使散熱器模型的換熱特性及流動(dòng)特性從數(shù)據(jù)、圖像上一目了然。</p><p>　　2 射流式風(fēng)冷散熱器</p><p>　　2.1 射流式風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)</p><p>

26、;　　CPU散熱器是流體力學(xué)和傳熱學(xué)領(lǐng)域的重要研究對(duì)象,前人的研究工作[8-9]幾乎都是將散熱器放置在一個(gè)流速均勻的流道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究或數(shù)值模擬，所研究的是散熱器肋片間的層流流動(dòng)，流動(dòng)方向是沿肋片間流道方向。由于CPU的冷卻一般采用軸流風(fēng)扇加散熱器的冷卻方式，即射流式，這時(shí)流動(dòng)是紊流而且冷卻氣流的方向是沿散熱器頂部朝下[10]。</p><p>　　射流式散熱器的溫度分布都是下部高，上部低，從恒溫?zé)嵩磦魅氲臒崃渴?/p>

27、從散熱底部向上傳遞的，這符合傳熱學(xué)一般規(guī)律。由于射流受到壁面的摩擦影響，射流速度從肋片頂部向下逐漸減小，受散熱器底面的限制，速度減小為零，然后反向流動(dòng)出現(xiàn)回流。這一區(qū)域的存在，直接影響散熱器的散熱[11]。</p><p>　　2.2 射流式風(fēng)冷散熱器的工作原理</p><p>　　熱量傳遞的基本方式有三種，即熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是兩種溫度不同的物體之間，或同一物體但溫度不同的兩

28、部分之間。因直接接觸而引起的熱量交換。風(fēng)冷散熱器熱量傳遞的基本方式有三種，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。其中熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流是主要的熱量傳遞方式。熱輻射是一種可以在沒(méi)有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸．就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式，此處熱輻射很小，可以忽略不計(jì)。熱源(CPU)將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱介質(zhì)。再由導(dǎo)熱介質(zhì)傳至散熱片基部。由基部將熱量傳至散熱片并通過(guò)風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對(duì)流，將熱量散發(fā)到空氣中。風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣流出熱空氣，完

29、成整個(gè)散熱過(guò)程。</p><p>　　圖2-1 風(fēng)冷熱器散熱原理</p><p>　　熱傳導(dǎo)是兩種溫度不同的物體之間，或同一物體但溫度不同的兩部分之問(wèn)。因直接接觸而引起的熱量交換。熱傳導(dǎo)的基本公式為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　φ——代表熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量（W）

30、；</p><p>　　λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·K)）；</p><p>　　A——代表傳熱的面積或是兩物體的接觸面積（m2）；</p><p>　　dt——代表物體兩端的溫度差；</p><p>　　dx——x方向任意一個(gè)厚度的微元層；</p><p>　　負(fù)號(hào)表示熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反。

31、從公式可以看出，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，傳熱面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越高。也就越容易帶走熱量。</p><p>　　熱對(duì)流指的是流體(氣體或液體)與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。在翅片散熱器中翅片進(jìn)口冷空氣受風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流帶走翅片上比較熱的空氣，風(fēng)扇持續(xù)補(bǔ)充冷空氣，完成散熱過(guò)程。對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式是牛頓冷卻公式：<

32、/p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　H——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（W/(m2·K)）；</p><p>　　、——壁面溫度和流體溫度（℃）；</p><p>　　2.3 射流式風(fēng)冷散熱器的影響因素</p><p>　　風(fēng)冷散熱器由散熱風(fēng)扇、散熱片、扣具、導(dǎo)熱介質(zhì)四部分構(gòu)成

33、，再加上環(huán)境因素，就形成了影響風(fēng)冷散熱器散熱效果的五大要素[12]：</p><p>　　圖2-2 風(fēng)冷散熱器基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1散熱風(fēng)扇 2散熱片 3扣具</p><p>　?。?）散熱片：負(fù)責(zé)吸收熱源發(fā)出的熱量（通過(guò)傳導(dǎo)方式吸熱)，并將吸人的熱量放出(通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流方式放熱)。</p><p>　　（2）扣具：固定散熱

34、器用壓力確保散熱器底部與處理器表面良好接觸，保證散熱片與熱源有一定的接觸面積，充分發(fā)揮散熱效果。</p><p>　　（3）風(fēng)扇：提供一定風(fēng)量風(fēng)壓的氣流。在氣流與散熱片表面之間進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱。通過(guò)空氣把傳遞到散熱片的熱量及時(shí)帶走。</p><p>　?。?）導(dǎo)熱介質(zhì)：減少或克服散熱器底部與處理器表面接觸不充分而產(chǎn)生的接觸熱阻，填充縫隙，增大熱源與散熱片的接觸面積，增大熱傳導(dǎo)量。</

35、p><p>　?。?）環(huán)境：提供一定溫度、一定壓力下的冷流體（空氣)，將傳遞至散熱片的熱量進(jìn)行對(duì)流換熱并散熱到空氣中。</p><p>　　合理選擇散熱器正確安裝和維護(hù)，才能保證CPU始終處于良好的工作狀態(tài)因此，選擇散熱器時(shí)要充分考慮影響散熱器散熱性能的因素。</p><p>　?。?）材料工藝：散熱片選用較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料對(duì)提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱能

36、力越強(qiáng)。在金屬材料中，銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高。但成本高，純銅其次。但是，銅的比重比鋁大，不符合散熱片重量限制的要求；銅材價(jià)格昂貴，易氧化；紅銅的硬度不如鋁合金，某些機(jī)械加工(如剖溝等)性能不如鋁；銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，難以擠壓成形導(dǎo)致其加工難度大，加工成本高的問(wèn)題。另外，與鋁比較銅的熱容量更小，也就是說(shuō)，其本身不能儲(chǔ)存更多的熱量，這個(gè)弱點(diǎn)顯示在散熱器上，就是當(dāng)電腦關(guān)機(jī)，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)后，CPU內(nèi)積蓄的熱量無(wú)法很快被銅質(zhì)散熱片帶走。這樣便會(huì)大大縮短配件

37、的正常使用壽命,在風(fēng)冷散熱器中一般用6063T5鋁合金，這是因?yàn)殇X合金的加工性好(純鋁由于硬度不足，很難進(jìn)行切削加工)表面處理容易成本低廉。但隨著散熱需求的提高，綜合運(yùn)用各種導(dǎo)熱系數(shù)高的材料已是大勢(shì)所趨。部分散熱片采用銅鋁結(jié)合的方式來(lái)制造。散熱片底部采用純銅，是為了發(fā)揮銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱量相對(duì)大的優(yōu)點(diǎn)。而鰭片部分仍采用鋁合金片，是為了加工容易，將換熱面積盡可能做大。以便對(duì)流換熱揖增大。銅鋁的結(jié)合應(yīng)用，既保證了散熱器重量不超標(biāo)。又可控制

38、成本。也取得了很大的效能提升[</p><p>　　表2-1各種散熱片工藝對(duì)比</p><p>　　表2-2 鋁的物理性質(zhì)</p><p>　　（2）加工工藝：根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，導(dǎo)熱量與接觸面積成正比。接觸面積越大，散熱片鰭片越多，散熱效果也就會(huì)越好。但鰭片的間距不能過(guò)密，過(guò)密不利于空氣的對(duì)流，熱量不能及時(shí)散發(fā)。其次鰭片的高度越高，也可獲得更大的有效散熱面積。另外散熱

39、片的底部必須保證有足夠的厚度，這與高熱傳遞時(shí)散熱片的熱容量有關(guān)。散熱片底部的功能是要將熱源的熱量大量吸走，如果底部厚度不足，散熱片的熱容量則不足。傳熱量會(huì)受到限制，提高了散熱片壁面溫度散熱片周?chē)諝鉁囟壬仙瑲饬鲃?dòng)力粘度因空氣溫度的上升而增大，導(dǎo)致空氣流動(dòng)受阻。散熱片與空氣對(duì)流換熱量將減小，對(duì)流換熱熱阻加大，熱源的溫度就無(wú)法降到理想的程度 [14]。</p><p>　　圖2-6 中間開(kāi)縫翅片

40、 圖2-7 平直翅片</p><p>　?。?）扣具：CPU散熱器的扣具是固定散熱片和CPU插槽。確保散熱器底部與處理器表面良好接觸的散熱器配件扣具的質(zhì)量?jī)?yōu)劣和設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到散熱器的安裝方式散熱效果和芯片的安全，主要包括安裝簡(jiǎn)易性，重心位置，壓緊應(yīng)力和抗震動(dòng)能力。扣具重心與CPU的DIE的中心重合才能保證散熱器與CPU的DIE充分接觸。扣具的壓緊應(yīng)力的大小也必須控制，既要保證散熱器底部與處理器均

41、勻受力，也要防止壓力過(guò)大壓壞處理器或壓力過(guò)小產(chǎn)生間隙，增加熱阻。</p><p>　?。?）導(dǎo)熱介質(zhì)：由于散熱器底部與處理器表面接觸不充分會(huì)產(chǎn)生接觸熱阻，存在于這些空隙中的空氣對(duì)散熱器的傳導(dǎo)能力有著很大的影響。利用導(dǎo)熱介質(zhì)能填充縫隙增大熱源與散熱片的接觸面積，減小熱流距離，增大傳熱量。衡量導(dǎo)熱介質(zhì)工作特性的性能參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)，熱阻系數(shù)，填充能力，工作溫度等。導(dǎo)熱介質(zhì)涂抹時(shí)應(yīng)均勻，能夠覆蓋CPU核心即可另外，導(dǎo)熱介

42、質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)“干化”或“硬化”現(xiàn)象。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，應(yīng)定期清理并重新涂抹。</p><p>　?。?）風(fēng)扇：熱量傳到散熱器的頂部后，需要盡快地將傳來(lái)的熱量散發(fā)到周邊環(huán)境中去，就是要與周?chē)目諝膺M(jìn)行熱交換。當(dāng)熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會(huì)急速上升。這時(shí)候，熱空氣應(yīng)該盡可能和周?chē)睦淇諝馔ㄟ^(guò)對(duì)流等熱交換方式來(lái)將熱量帶走，對(duì)風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)，最主要的手段便是提高空氣流動(dòng)的速度，使用風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)

43、流。散熱器風(fēng)扇的效能(例如風(fēng)量，風(fēng)壓)主要取決于風(fēng)扇扇葉直徑軸向長(zhǎng)度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和扇葉形狀。但是，任何風(fēng)冷散熱器在運(yùn)行時(shí)都無(wú)可避免的會(huì)產(chǎn)生噪音，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)增大運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。在降溫能力滿足散熱需求的情況下，盡量選用低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇。</p><p>　　3模擬計(jì)算及后處理軟件介紹</p><p>　　3.1 模擬計(jì)算軟件介紹</p><p>　　計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computa

44、tional Fluid Dynamic，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量的值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方程式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)的變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得常變量的近似值[15-17]。</p><p>

45、;　?。?）計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作步驟</p><p>　　CFD可以看做是在流體基本方程（質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程）控制下對(duì)流的數(shù)值模擬。通過(guò)這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度，壓力，溫度，濃度等）的分布。</p><p>　　采用CFD的方法對(duì)流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通常包括如下步驟：</p><p>　?、俳⒎?/p>

46、映工程問(wèn)題或物理問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　?、趯で蟾咝剩邷?zhǔn)確度的計(jì)算方法，即建立針對(duì)控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法，有限元法，有限體積法等。</p><p>　?、劬幊坛绦蚝瓦M(jìn)行計(jì)算主要為計(jì)算網(wǎng)格劃分，初始條件和邊界條件的輸入，控制參數(shù)的設(shè)定等。</p><p>　?、茱@示計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果一般通過(guò)圖表等方式顯示，這對(duì)檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)

47、果又重要參考意義。</p><p>　?。?）計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)</p><p>　　CFD的長(zhǎng)處是適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣。首先，流動(dòng)問(wèn)題的控制方程一般是非線性方程，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，很難求解，而用CFD方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解；其次，可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗(yàn)。再者，它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲″X(qián)省時(shí)，有較多的靈活性能給出詳細(xì)和完整的資料很容易模

48、擬特殊尺寸，高溫，有毒，易燃等真是條件和試驗(yàn)中只能接近而無(wú)法達(dá)到的理想條件。</p><p>　　CFD也存在著一定得局限性。首先數(shù)值法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴(lài)于物理上合理，數(shù)學(xué)上適用，適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解并有一定的計(jì)算誤差；其次，它不像物理模型試驗(yàn)一開(kāi)始就能給出流動(dòng)現(xiàn)象并定性的描述，往往需要由原體觀測(cè)或物理模型試驗(yàn)

49、提供某些流動(dòng)參數(shù)，并需要對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證；再者，程序的編制及資料的收集，整理與正確利用，在很大程度上依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)和技巧。此外，因數(shù)值處理方法等原因有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不真實(shí)。</p><p>　　（3）計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　?、偎啓C(jī)，風(fēng)機(jī)和水泵等流體機(jī)械內(nèi)部的流體流動(dòng)</p><p>　?、陲w機(jī)和航天飛機(jī)等飛行器的設(shè)計(jì)</p>

50、;<p>　?、燮?chē)流線外型對(duì)性能的影響</p><p>　　④洪水波及河口潮流計(jì)算</p><p>　?、蒿L(fēng)載荷對(duì)高層建筑穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)性能的影響</p><p>　?、迵Q熱器性能分析及換熱器片形狀的選取</p><p>　　⑦河流中污染物的擴(kuò)散</p><p>　?、嗥?chē)尾氣對(duì)街道環(huán)境的污染</p

51、><p><b>　　⑨食品中細(xì)菌的運(yùn)移</b></p><p>　　3.1.1 常規(guī)CFD軟件</p><p>　　為了完成CFD計(jì)算，過(guò)去多是用戶自己編寫(xiě)計(jì)算程序，但由于CFD的復(fù)雜性及計(jì)算機(jī)軟硬件條件的多樣性，使得用戶各自的應(yīng)用程序往往缺乏通用性，而CFD本身又有其鮮明的系統(tǒng)性和規(guī)律性，因此，比較適合于被制成通用的商用軟件。自1981年以來(lái)，

52、出現(xiàn)了如ANSYS，PHOENICS，Icepak,FLUENT等多個(gè)商用CFD軟件。</p><p><b>　　（1）ANSYS</b></p><p>　　ANSYS是由Swanson Analysis System，Inc開(kāi)發(fā)研制的著名大型模擬軟件，它基于有限元算法，不但可用于分析線性，靜態(tài)等簡(jiǎn)單的問(wèn)題，而且還可以用于分析非線性及瞬間等復(fù)雜問(wèn)題。ANSYS可在

53、微機(jī)和工作站上運(yùn)行，具有強(qiáng)大的熱分析功能，同時(shí)具有一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)絡(luò)劃分工具，分析類(lèi)型豐富，使</p><p>　　用方便，并且具有強(qiáng)大的前后處理功能，其圖形輸出功能清晰、直觀地反映溫度場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果，因此具有廣泛的適用范圍ANSYS軟件是一種功能強(qiáng)大的可應(yīng)用于很多領(lǐng)域的大型有限元分析軟件。它可以進(jìn)行靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，熱學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)、低/高頻電磁場(chǎng)等多領(lǐng)域多學(xué)科問(wèn)題的單獨(dú)分析和耦合分析。</p&g

54、t;<p><b>　?。?）Icepak</b></p><p>　　Icepak是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件，它能夠解決系統(tǒng)級(jí)，部件級(jí)，封裝級(jí)的熱分析問(wèn)題。它擁有用戶模擬過(guò)程所需要的各種物理模型，可以模擬自然對(duì)流，強(qiáng)迫對(duì)流，混合對(duì)流，熱傳導(dǎo)，熱輻射，流-固的耦合換熱，層流，湍流，穩(wěn)態(tài)，非穩(wěn)態(tài)等流動(dòng)現(xiàn)象。它采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠針對(duì)復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體，六面體的非結(jié)

55、構(gòu)化網(wǎng)格，有多種網(wǎng)格生成方法，能夠滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中幾何形狀越來(lái)越復(fù)雜的要求。</p><p>　　這些軟件的顯著特點(diǎn)是：</p><p>　?、俟δ鼙容^全面，實(shí)用性強(qiáng)，幾乎可以求解工程界的各種復(fù)雜問(wèn)題。</p><p>　?、诰哂斜容^易用的前后處理系統(tǒng)和其他CAD及CFD軟件的接口能力，便于用戶快速造型，網(wǎng)絡(luò)劃分等工作。同時(shí)，還可以讓用戶擴(kuò)展自己的開(kāi)發(fā)模塊。&

56、lt;/p><p>　?、劬哂斜容^完備的容錯(cuò)機(jī)制和操作界面，穩(wěn)定性高。</p><p>　?、芸稍诙喾N計(jì)算機(jī)，多種操作系統(tǒng)，包括并行環(huán)境下運(yùn)行[18]。</p><p>　　3.1.2 本文所用模擬軟件</p><p>　　PHOENICS是Parbolic,Hyperbolic or Ellicpic Numerical Integration

57、 Code Series的縮寫(xiě)。PHOENICS軟件是世界上第一套計(jì)算流體與計(jì)算傳熱學(xué)商用軟件，是英國(guó)CHAM公司開(kāi)發(fā)的模擬傳熱、流動(dòng)、反應(yīng)、燃燒過(guò)程的通用CFD軟件，有30多年的歷史。也是世界著名的計(jì)算流體與計(jì)算傳熱學(xué)(CFD/NHT)軟件。</p><p>　　PHOENICS 提供了直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系和適體坐標(biāo)系三套坐標(biāo)系統(tǒng)，可用于求解一維、二維及三維空間的可壓縮或不可壓縮、單相或多相的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)流動(dòng)。適

58、用于零維、一維、二維、三維、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)。Phoenics網(wǎng)格系統(tǒng):直角、園柱、曲面（包括非正交和運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格，但在其VR環(huán)境不可以）、旋轉(zhuǎn)座標(biāo)，多重網(wǎng)格，精細(xì)網(wǎng)格。可以對(duì)三維穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的可壓縮流或不可壓縮流進(jìn)行模擬，包括非牛頓流、多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，并且可以考慮粘度、密度、溫度變化的影響可壓縮與不可壓縮流體。亞音速，超音速，跨音速。變量（包括用戶自定義的變量）數(shù)不受限制傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射換熱，耦合傳熱，固液表面自動(dòng)關(guān)聯(lián)。</p>

59、<p>　　在流體模型上面，Phoenics內(nèi)置了22種適合于各種Re數(shù)場(chǎng)合的湍流模型，三種多相流，包括雷諾應(yīng)力模型、多流體湍流模型和通量模型及k-e模型的各種變異，共計(jì)21個(gè)湍流模型，8個(gè)多相流模型，均包括相間動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞。兩相流求解方法:IPSA、ASM、PSI-Cell、SEM。10多個(gè)差分格式。燃燒和NOx模型，擴(kuò)散和動(dòng)力控制的模型，包括多流體湍流燃燒模型。煤、氣、油燃燒?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)，包括多組分?jǐn)U散和變物性

60、，內(nèi)置與CHEMKIN化工數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)的界面。6個(gè)輻射模型，包括計(jì)算角系數(shù)的面面模型，6通最模型和IMMERSOL的適用于輻射傳熱的組分輻射模型。計(jì)算流動(dòng)與傳熱時(shí)能同時(shí)計(jì)算浸人流體中的固體的機(jī)械和熱應(yīng)力可選擇線性和非線性方程解法(整場(chǎng)、逐面、逐點(diǎn))，包括STONE和耦合殘差梯度。線性、慣性和局部松弛。塊修正。用于充分發(fā)展流的一次面求解。用于拋物流的前積分求解。</p><p>　　目前，PHOENICS已廣泛應(yīng)用于

61、航空航天、船舶、汽車(chē)、暖通空調(diào)、環(huán)境、能源動(dòng)力、化工等各個(gè)領(lǐng)域。在核電方面，利用PHOENICS不僅可節(jié)約大量經(jīng)費(fèi)，更為核電的安全可靠運(yùn)行提供了可靠保證。</p><p>　　PHOENICS界面包括模型編輯界面，數(shù)值計(jì)算運(yùn)行界面和計(jì)算結(jié)果查看界面三部分。利用模型編輯界面來(lái)建立幾何模型是最適合初學(xué)者的，因?yàn)樗粌H簡(jiǎn)單易懂，而且還可以自動(dòng)生成PHOENICS輸入語(yǔ)言所編寫(xiě)的Q1文件而不用使用者學(xué)習(xí)PHOENICS輸

62、入語(yǔ)言。當(dāng)使用者對(duì)PHOENICS有了一定的了解以后，可以利用PHOENICS輸入語(yǔ)言直接編寫(xiě)Q1文件或利用FORTRAN語(yǔ)言更深入地編寫(xiě)一些模塊。計(jì)算結(jié)果查看界面可以將計(jì)算結(jié)果以形象易懂地方式表現(xiàn)出來(lái)，也可以利用PHOENICS中的圖形處理模塊將計(jì)算結(jié)果按我們想要的形式畫(huà)出來(lái)。程序有前處理、求解器、后處理模塊構(gòu)成.。PHOENICS程序語(yǔ)言是標(biāo)準(zhǔn)ANSI FORTRAAN77語(yǔ)言，與機(jī)器無(wú)關(guān)，程序總共大約110,000條語(yǔ)句，2000

63、個(gè)子程序。如圖3-3為PHOENICS軟件界面。</p><p>　　圖3-2 PHOENICS軟件運(yùn)行界面</p><p>　　Phoenics的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）彩色圖形界面菜單系統(tǒng)是這幾個(gè)CFD軟件里前處理最方便的一個(gè)，可以直接讀入Pro/E建立的模型（需轉(zhuǎn)換成STL格式），是復(fù)雜幾何體的生成更為方便，在邊界條件的定義方面也極為簡(jiǎn)單，并且網(wǎng)格自動(dòng)生成，但其缺點(diǎn)則是網(wǎng)格比較單一粗糙，針對(duì)

64、復(fù)雜曲面或曲率小的地方的網(wǎng)格不能細(xì)分，也即是說(shuō)不能在VR環(huán)境里采用貼體網(wǎng)格。另外VR的后處理也不是很好。要進(jìn)行更高級(jí)的分析則要采用命令格式進(jìn)行，但這在易用性上比其它軟件就要差了。另外，Phoenics自帶了1000多個(gè)例題與驗(yàn)證題，附有完整的可讀可改的輸入文件。其中就有CHAM公司做的一個(gè)PDC鉆頭的流場(chǎng)分析。Phoenics的開(kāi)放性很好，提供對(duì)軟件現(xiàn)有模型進(jìn)行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。除了通用

65、計(jì)算流體、計(jì)算傳熱學(xué)軟件應(yīng)該擁有的功能外PHOENICS軟件有自己獨(dú)特的功能：</p><p>　?。?）開(kāi)放性：PHOENICS最大限度地向用戶開(kāi)放了程序，用戶可以根據(jù)需要任意修改添加用戶程序、用戶模型。PLANT及INFORM功能的引入使用戶不再需要編寫(xiě)FORTRAN源程序，GROUND程序功能使用戶修改添加模型更加任意、方便。</p><p>　?。?）CAD接口：PHOENICS可

66、以讀入任何CAD軟件的圖形文件。</p><p>　　（3）MOVOBJ：運(yùn)動(dòng)物體功能可以定義物體運(yùn)動(dòng)，避免了使用相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法的局限性。</p><p>　?。?）大量的模型選擇：20多種湍流模型，多種多相流模型，多流體模型，燃燒模型，輻射模型。</p><p>　?。?）提供了歐拉算法也提供了基于粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的拉格朗日算法。</p><p>

67、;　　（6）計(jì)算流動(dòng)與傳熱時(shí)能同時(shí)計(jì)算浸入流體中的固體的機(jī)械和熱應(yīng)力。</p><p>　?。?）VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）用戶界面引入了一種嶄新的CFD建模思路。</p><p>　?。?）PARSOL（CUT CELL)：部分固體處理。</p><p>　?。?）軟件自帶1000多個(gè)例題，附有完整的可讀可改的原始輸入文件。</p><p>　?。?

68、0）PHOENICS專(zhuān)用模塊。</p><p>　　3.2 后處理軟件介紹</p><p>　　在本文中除了用PHOENICS軟件的計(jì)算功能外還借助于其他補(bǔ)助軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理得到數(shù)據(jù)和圖表，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和圖表得到最終的結(jié)論。下面介紹后處理軟件Phoenics Reader。</p><p>　　Phoenics Reader軟件是讀出PHOENICS軟件計(jì)算

69、出來(lái)的計(jì)算結(jié)果并在的Execl中做曲線圖，對(duì)翅片不同位置的溫度、壓力、速度等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　圖3-3 Phoenics Reader 軟件界面</p><p>　　圖3-3 Phoenics Reader 數(shù)據(jù)瀏覽界面</p><p>　　除此之外該軟件還具備根據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)繪制出溫度，壓力，速度變化趨勢(shì)圖以及保存數(shù)據(jù)，抓圖等功能。</p&g

70、t;<p>　　3.3 軟件的綜合應(yīng)用</p><p>　　首先用PHOENICS軟件建立模型，求解后，最終獲得較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。保存計(jì)算結(jié)果，用Phoenics Reader軟件讀出網(wǎng)格點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，在Execl中做曲線圖，對(duì)翅片不同位置的溫度、壓力、速度等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　以上兩個(gè)軟件的結(jié)合使用，在數(shù)據(jù)處理方面更加簡(jiǎn)單、明了，對(duì)比分析數(shù)據(jù)結(jié)果，采取優(yōu)

71、化設(shè)計(jì)，最終得到較合理的設(shè)計(jì)模型，盡可能提高風(fēng)冷翅片式散熱器的散熱效率。</p><p><b>　　4計(jì)算結(jié)果處理</b></p><p><b>　　4.1建立模型</b></p><p>　　4.1.1 散熱器實(shí)際模型</p><p>　　本設(shè)計(jì)用Phoenics軟件去設(shè)計(jì)散熱翅片，進(jìn)而模擬出

72、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化。影響對(duì)流傳熱的因素有對(duì)流傳熱系數(shù)、傳熱面積、溫度差，三個(gè)因素中任何一個(gè)因素增大對(duì)流傳熱量也就增大。根據(jù)實(shí)際情況改變這些因素，以加強(qiáng)對(duì)流傳熱，從而增大換熱。</p><p>　　散熱翅片實(shí)際模型如圖所示，經(jīng)過(guò)翅片開(kāi)槽進(jìn)行計(jì)算。使用散熱片散熱時(shí)，需先注意散熱片與熱流空氣所產(chǎn)生的溫度變化，再看最后是否收斂。根據(jù)常用CPU實(shí)物為模型尺寸，對(duì)散熱器的傳熱系數(shù)、翅片溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行了迭代計(jì)算，計(jì)算過(guò)程是

73、將實(shí)際模型中10組翅片中取出任意2個(gè)組進(jìn)行數(shù)值模擬。</p><p>　　對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)定，圖4-1為模型尺寸標(biāo)注，表1為翅片的物理模型尺寸，在研究不同模型時(shí)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。</p><p>　　圖4-1 翅片模型及尺寸</p><p>　　表4-1 翅片物理尺寸</p><p>　　注：N為散熱器中翅片的個(gè)數(shù)</p><

74、;p>　　4.1.2 散熱器理論模型</p><p>　　在Phoenics軟件中，建立三維視圖模型。取翅片長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，翅片高度方向?yàn)閆軸，延翅片間距的方向?yàn)閅軸。計(jì)算區(qū)域：X=110mm,Z=60mm , Y=9mm。在計(jì)算散熱隨翅片間距變化時(shí)Y軸的值另做設(shè)定。</p><p>　　為計(jì)算方便，取翅片的一部分做模擬計(jì)算，翅片空間中X方向取65個(gè)網(wǎng)格，Y方向取18個(gè)網(wǎng)格，Z方向取

75、30個(gè)網(wǎng)格。設(shè)定進(jìn)口空氣溫度20℃，每一個(gè)工況計(jì)算大約需要2600次迭代就能達(dá)到收斂,計(jì)算時(shí)間約為35分鐘。在計(jì)算過(guò)程中誤差數(shù)量級(jí)小于-4，殘差的數(shù)量級(jí)小于+1，再查看results文件，如果平衡可認(rèn)為收斂。計(jì)算結(jié)果保存后用Phoeincs Reader軟件讀出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保到TXT文件中，用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出翅片上的溫度曲線圖。</p><p><b>　　4.2 計(jì)算結(jié)果</b>&

76、lt;/p><p>　　4.2.1 翅片溫度隨進(jìn)風(fēng)位置的變化</p><p>　　本文計(jì)算模型將采用以上介紹的幾何尺寸，取加熱功率60W,風(fēng)速為2.5m/s都不變的情況下改變進(jìn)風(fēng)位置，分別為進(jìn)風(fēng)口起始點(diǎn)坐標(biāo)為x=0，x=0.03，及x=0.015三種不同情況。利用其溫度場(chǎng)的變化情況分析翅片的換熱特性的變化趨勢(shì)。首先給出翅片基底，即翅跟平面上的溫度分布情況。圖4-2是基底平面上翅片通道中心位置的

77、溫度曲線。</p><p>　　圖4-2 翅基溫度隨進(jìn)風(fēng)位置變化趨勢(shì)</p><p>　　從溫度分布圖4-2中可以看出進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0和x=0.015的兩種工況溫度分布幾乎重合，而且這兩種工況下的翅根的溫度明顯比進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0.03時(shí)的溫度高。因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0.03時(shí)進(jìn)風(fēng)口正好在翅片組的正上方，此時(shí)流體從翅片射流進(jìn)入翅片組通道，至靠近底面時(shí)向兩側(cè)通道出口分流，所受阻

78、力最小，可以充分沖刷翅片。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，三種情況都會(huì)在通道出口上方位置形成回流區(qū)，這是由于射流受到壁面的摩擦以及受熱后的浮升力的共同影響。這一區(qū)域的存在對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生了擾動(dòng)，強(qiáng)化了散熱器的散熱。而x=0,x=0.015工況下的射流參與回流的部分較少。</p><p>　　圖4-3 翅片中心位置度隨進(jìn)風(fēng)位置變化趨勢(shì)</p><p>　　從溫度分布圖4-3中可以看出進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0.

79、03工況下的溫度分布仍然是低于進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0與x=0.01工況下的溫度分布。因?yàn)檠爻崞叨确较虺崞瑴囟葎×疑撸敳窟M(jìn)氣（風(fēng)口起始位置為x=0.03）的情況下沿程阻力較小，進(jìn)氣均勻，沖刷充分，換熱效果更好。</p><p>　　圖4-4 翅片頂部度隨進(jìn)風(fēng)位置變化趨勢(shì)</p><p>　　由圖可以看出模型在幾何尺寸，加熱功率,風(fēng)速都不變的情況下，在3種不同位置進(jìn)風(fēng)時(shí)翅片在同一個(gè)高度

80、上的溫度分布是不一樣的，從溫度分布可以看出在x=0和x=0.015的溫度分布與x=0.03進(jìn)風(fēng)位置相比高。由此可以判定頂部進(jìn)氣（風(fēng)口起始位置為x=0.03）的情況換熱效果要更好一點(diǎn)。</p><p>　　在熱流密度，射流速度不變的情況下散熱效果取決于有效沖刷面積。部分射流因進(jìn)風(fēng)位置偏離翅片，因此這部分射流流體沒(méi)有沖刷翅片。散熱翅片總的散熱面積不變，但是一定加熱功率下的有效（沖刷）散熱面積減小，達(dá)不到理想的散熱效果

81、。射流沖刷面積增加，射流帶走熱量也隨之增加，因此加強(qiáng)換熱。進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0和x=0.015的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布明顯比進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0.03更加混亂。x=0.03處進(jìn)風(fēng)沖刷翅片的面積增多，與前者相比溫度場(chǎng)，流場(chǎng)分布更均勻，散熱效果較好。</p><p>　　4.2.2 特殊溫度點(diǎn)以及分析</p><p>　　在Phoenics軟件建立三維視圖模型之后該區(qū)域在X，Y，Z方向分為網(wǎng)格進(jìn)

82、行迭代計(jì)算，在給定的邊界條件下計(jì)算出溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，再用Phoeincs Reader軟件讀出該計(jì)算工況下的溫度分分布，從中讀取翅片基座溫度最大最小點(diǎn)的溫度值以及該點(diǎn)X-Y平面中的坐標(biāo)值作為射流進(jìn)風(fēng)位置的參考值。</p><p>　　Phoenics軟件是以網(wǎng)格作為參考坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算， X方向分為65，Y方向分為18個(gè)網(wǎng)格，其中X方向1到17和49到65，Y方向1到18網(wǎng)格區(qū)域被排除在外因?yàn)檫@些區(qū)域不包括翅片，只有X

83、方向18到48，Y方向1到18網(wǎng)格區(qū)域包括翅片區(qū)域所以對(duì)這些區(qū)域取出溫度最大最小值以及改點(diǎn)坐標(biāo)值。</p><p>　　表4-2 特殊溫度點(diǎn)</p><p>　　可以從表4-2看出進(jìn)風(fēng)口起始位置為x=0，x=0.015,x=0.03三個(gè)工況的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在翅片基底平面的中心線上，離翅片組尾部11mm的區(qū)域內(nèi)。這是由于翅片與流體換熱使流體溫度上升，兩者的溫差逐漸降低，換熱效果隨之減弱。但

84、翅片組后部區(qū)域存在回流，對(duì)翅片組尾部出口附近的流體產(chǎn)生擾動(dòng)作用，強(qiáng)化了這一區(qū)域的換熱效果，從而使得最高溫度點(diǎn)前移，出現(xiàn)在上述區(qū)域。而最低溫度點(diǎn)都出現(xiàn)在翅片組前沿基底平面靠近翅片處。</p><p>　　根據(jù)最高最低溫度點(diǎn)的坐標(biāo)近似確定射流入口的位置，將50×9mm2矩形射流入口定在散熱翅片正上方為最益。</p><p><b>　　4.3 結(jié)論</b><

85、;/p><p>　　根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知射流離開(kāi)矩形入口進(jìn)入翅片區(qū)域后由于自由射流會(huì)沖刷翅片的過(guò)程中速度會(huì)持續(xù)變小，同時(shí)達(dá)到壁面的氣流與壁面間的劇烈沖擊作用會(huì)使氣流中的擾動(dòng)增加，進(jìn)風(fēng)位置的合理選擇將直接影響射流沖刷翅片的程度，這些因素的綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致在一定條件下局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)出現(xiàn)增大而達(dá)到改變散熱效果的目的。通過(guò)計(jì)算并對(duì)三個(gè)模型的結(jié)果的對(duì)比，我們可以得出射流式的翅片式散熱器其進(jìn)風(fēng)口最佳位置在翅片組頂部正上方處

86、。</p><p><b>　　5 結(jié)論與展望</b></p><p>　　本文針對(duì)目前普通用戶的CPU散熱器，在最大發(fā)熱量情況下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到減少耗材的同時(shí)散熱效果增加。通過(guò)PHOENICS軟件的模擬計(jì)算，得到了翅片式散熱器的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布情況，總結(jié)了散熱器的換熱特性和流動(dòng)特性，論證了射流式風(fēng)冷散熱器的可行性。</p><p>　　

87、通過(guò)模擬仿真計(jì)算，得出翅片加熱功率和風(fēng)速，射流溫度不變的條件下，證明工作功率直接影響CPU的溫度；散熱器進(jìn)風(fēng)位置可以任意布置，所以要找出一個(gè)最佳的進(jìn)風(fēng)位置；進(jìn)風(fēng)位置的變化對(duì)散熱是有一定的影響，進(jìn)風(fēng)位置布置不合理時(shí)翅片內(nèi)部的熱量無(wú)法散出而導(dǎo)致散熱不完全，合理的進(jìn)風(fēng)位置會(huì)使增加有效沖刷面積，加強(qiáng)對(duì)流換熱，降低CPU的工作溫度。</p><p>　　當(dāng)然，本設(shè)計(jì)也存在一些不足之處，并未考慮到CPU在不同風(fēng)速，不同加熱功

88、率，不同的翅片間距，不同的開(kāi)封間距等等問(wèn)題。另外由于時(shí)間有限，本文未能得出翅片的最佳間距以及最佳開(kāi)縫比，以后進(jìn)一步研究可以從這幾方面進(jìn)行?？傊厴I(yè)設(shè)計(jì)作為對(duì)大學(xué)本科四年所學(xué)知識(shí)的綜合利用，讓我獲益頗豐，從中學(xué)到了許多。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我在張穎莉老師的悉心幫助和指導(dǎo)之下完成的，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中

89、，她都給我提供方便，并仔細(xì)指導(dǎo)。由于論文所涉及的軟件我從未接觸過(guò)，而且軟件是英文版的，在學(xué)習(xí)過(guò)程中很困難，張老師對(duì)每個(gè)軟件都給我做了詳細(xì)講解。使我了解了PHOENICS、Phoenics Reader、Tecplot的基本應(yīng)用，這對(duì)我來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的收獲，可以用這些軟件解決一些實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)我也學(xué)會(huì)了查閱各種文獻(xiàn)資料并引用其中的相關(guān)學(xué)術(shù)成果，熟悉了論文的寫(xiě)作方法，了解了學(xué)術(shù)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性。在此，我要表示我最衷心的感謝。</p>

90、<p>　　在本次設(shè)計(jì)中我對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，盡量做到最優(yōu)的結(jié)果，最大程度學(xué)習(xí)了軟件的運(yùn)用。論文寫(xiě)作時(shí)我都仔細(xì)地進(jìn)行多次檢查。模型的計(jì)算和理論知識(shí)相結(jié)合，是對(duì)我大學(xué)知識(shí)的一個(gè)總結(jié)，使我再次回顧了五年內(nèi)所有學(xué)過(guò)的知識(shí)；同時(shí)也是所有知識(shí)的綜合運(yùn)用。使自己的能力進(jìn)一步得到了提高。</p><p>　　最后，向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝，祝他們健康、快樂(lè)!</p><p

91、><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 程迎軍，羅樂(lè)，等.多芯片組件散熱的三維有限元分析[J].電子元件與材料,2004,(5)</p><p>　　[2] Hideo Jwasaki，Massaru Ishizuka．Forded convection aircooling：Characteristics of plate fins fo

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