ICEPAK 笔记本电脑散热模拟

ICEPAK 笔记本电脑散热模拟 笔记本电脑散热分析模拟 本次模拟主要是创建一个包含各种部件的笔记本电脑模型，模拟的目的是检验风扇及通风口提供的风量能否满足冷却CPU芯片、电源、硬盘和PCB板的需要。采用ICEPAK软件建模和边界条件设定，模拟由FLUENT软件完成，ORIGIN软件结果后处理。 一、问描述 计算域包括一个硬盘、一个软驱、一个CPU芯片、一块PCMCIA卡,四块PCB板和一个电源模块,如图1和图2所示。整个系统由两个风扇和四个通风口冷却，系统流动属于湍流。 图1问题描述 图2ICEPAK中完整模型图 二、控制方程 1、连续和动量方程 对于所有流动，FLUENT都求解质量和动量守恒方程。对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程。对于有组分混合或者化学反应的流动问题则要增加组分守恒方程，当选择pdf 模型时，需要求解混合分数及其方差的守恒方程。如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解。 1.1质量守恒方程 ,,, ，(,u),Sim,t,xi 该方程是质量守恒的总的形式，可以适合可压和不可压流动。源项是稀Sm疏相增加到连续相中的质量，(如液体蒸发变成气体)或者质量源项(用户定义)。 对于二维轴对称几何条件，连续方程可以写成: ,,,v,,，(u)，(v)，,S ,,m,t,x,rr 式中，x是轴向坐标;r是径向坐标，u和v分别是轴向和径向速度分量。 1.2 动量守恒方程 惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为: ,,,,,pij (,u)，(,uu),,，，,g，Fiijii,t,x,x,cjij ，，,,,u,u,u2jil,,,，,,,,,,式中，p是静压;是应力张量，定义为: ，,g，,,ijijiji,,,x,x3,x,,jil,,，， FF是重力体积力和其它体积力(如源于两相之间的作用)，还可以包括其它模ii 型源项或者用户自定义源项。 对于二维轴对称几何条件，轴向和轴向的动量守恒方程分别为: ,1,1,,p(u)，(ruu)，(rvu),,,,, ,tr,xr,r,x ，,，1,,u2,,，r2,(,,v), ,,,,r,x,x3,,，， ，，,,u,v1,,，r,，，F ,,x,,r,r,r,x,,，， 和 ,1,1,,p(v)，(ruv)，(rvv),, ,,,,tr,xr,r,r ，，,,v,u1,, ，r，,,,,,r,x,x,r,,，， ，,，1,,v2,, ，r2,(,,v),,,,,r,r,x3,,，， 2,v2,w ,2,，(,,v)，,，Fr23rrr w是旋流速度。 1.3 能量方程 FLUENT可以计算流体和(或者)固体区域之间的传热问题。如果是周期性换热流动，则流动边界要给定周期边界条件。如果计算计算模型包括两个流动区域，中间被固体或者墙壁隔开的换热问题，则要特别注意:1，两个流体都不能用流出边界条件(outflow);2，两个区域的流动介质可以不同，但要分别定义流体性质(如果计算组分，只能给一个混合组分)。 流体1 流体2 FLUENT求解的能量方程形式如下: ,,,,T,(E)，(u(,E，p)),(k,hJ，u(,)，S ,,,ieffjjjijeffh,j,t,x,x,xiii k,k，kJ式中，，为有效导热系数(湍流导热系数根据湍流模型来定义)。是,efftj ,组分的扩散通量。方程右边前三项分别为导热项，组分扩散项和粘性耗散项。j S是包括化学反应热和其它体积热源的源项。其中， h 2upi E,h,，,2 hmh,对于理想气体，焓定义为:;对于不可压缩气体，焓定义为:,,,jj,jTp,,mh,cdT,，jj。是组分的质量分数，组分的焓定义为:，hmh,,,,,,,jjj,jpj,j,TrefT,298.15K其中。 ref 三、模型建立，初始条件及边界条件设定 1、材料选择 CPU芯片材料:solid-cpuchip，设置导热系数(Conductivity)为10W/m.K，密度(density)和比热(specificheat)在计算中不会用到,所以你可以保持缺省值.固体材料的密度和比热只在瞬态模拟中使用。CPU底板材料:solid-cpubase。PCB板材料:solid-pcb，conductivity(导热系数)设为15W/m-K。CPU风扇底板:Al-DieCast。电源模块:Al-Extruded。 图3材料导热系数设置 2、模型建立 各部件分别命名为:硬盘—block-harddisk(为方便起见，设置为空心壳体)，软驱—block-floppy(空心壳体)，CPU芯片—block-cpuchip(为发热件，设置为实心固体)，CPU底板—block-cpubase(实心固体)，CPU风扇底板—block- —block-pcmcia，电源模块—block-ps(电源cpufanbase(实心固体)，PCMCIA卡 模块由外部的实心长方体和内部的空心长方体组成)，不发热的器件—block- space，PCB板—pcb1~2(厚度为0.0015m)，电源板—ps-plate1~2(厚度0.0015m)，接触热阻—cont-resist(0.0025C/W)，7个热源以模拟芯片的功耗及PCB板上的功耗器件(功率分别为1W,0.594W,0.55W,1.15W,0.594W,1.5W,1.2W),CPU风扇—cpu-fan设置为internal类型，系统排风风扇—exh-fan，CPU风扇的通风口—grille-fan。 3、初始及边界条件设置 a) CPU芯片—block-cpuchip(为发热件，设置为实心固体)功率设置为10W; b) CPU风扇底板Total power=0.465W; c) ps-plate1，功率2W; d) ps-plate2，功率0.4W; e) CPU风扇是圆形风扇，其特性曲线定义了体积流量与压降的关系: 图4 CPU风扇压降与体积流量的关系 f) 排风风扇是圆形风扇，其特性曲线定义了体积流量与压降的关系: Volume tric Flow Rate Pressure Drop 0 11.76 2.49e-4 7.448 4.99e-4 4.41 7.48e-4 3.136 9.47e-4 0 图5 排气风扇压降与体积流量的关系 g) CPU风扇的通风口，对于Velocity loss coefficient(速度损失系数),选择Approach并设置Quadratic coeff.为30。 4、网格划分 6 网格划分设置 由于整个系统结构都是基本的六边形，因此网格划分比较简单，用结构化网格即可达到要求。在 Mesh control 面板中，设置Max X size 为 0.02, Max Y size 为 0.004, Max Z size 为 0.02，选中Init height 选项，并设为0.002，在Mesh parameters 下拉栏中选择Coarse，设置 Max size ratio 为 3。虽然生成的是粗(coarse)网格，减小Max size ratio 的值会保证对象边界附近的网格不至于太大。 Icepak会提示说模型对象之间的最小间距小于模型中对象最小尺寸的10%. 有三种选择:停止生成网格、忽略警告、和允许Icepak 自动修正尺寸. 表7 生成网格 四、迭代及数值求解 修改松弛系数(under-relaxation factors)，由于模型相对较为复杂，你需要改变松弛系数(under-relaxation factors)的缺省设置。设置Pressure 的松弛系数(Under-relaxation factor)为0.7， Momentum 为 0.3。设置求解迭代步数为1000步进行迭代求解。迭代收敛曲线如图8所示。 图8 收敛情况 五、上述的改进 为使CPU芯片的最高温度降到可接受的范围之内，对上述笔记本电脑的进行改进，以达到降低CPU芯片的最高温度的目的。改进的是在排风风扇附近放置一散热器，并通过热管连接到CPU芯片。 图9 ICEPAK中改进方案的完整模型图 在本次计算中热管通过等效热传导系数来模拟.这是一种近似，热管几何模型与真实热管一样，但由于真实热管具有非常大的换热能力，你需要指定热管模型 k在主流量具有很大的导热系数。等效热传导系数 () 可以由下式近似求出: eff Lp k,(1) effARth ALR式中 , , 和 分别是长度，截面面积及热管的热阻.对于本练习，假设，pth k,3000R,0.2则求得.材料另外两个方向的导热系数假定为150.在Materials effth 面板中的orthotropic conductivity 选项下可以改变这些值。 对改进的模型进行网格划分，迭代计算。 图10 收敛情况 六、计算结果对照分析 就改进前和改进后的计算结果进行对照分析，各部件的最高温度如下表: 表1 各部件最高温度对照 Static Temperature 改进前(K) 改进后(K) Block-cpuchip-solid 365.528 344.91 Block-cpubase 364.79 344.27 Block-ps 337.81 336.94 Ps-plate1 337.82 336.95 Ps-plate2 336,.25 336.10 图11 改进前各部件表面温度分布情况 图12 改进前各部件表面温度分布情况 图13 改进前各部件表面温度分布情况 图14 改进前各部件表面温度分布情况