沟槽式水冷芯片散热器的可视化研究和数值模拟

发布时间：2020-05-11 21:36

【摘要】：随着大数据和5G时代的到来,芯片计算负荷不断提高,同时芯片元件逐渐朝着小型化的方向发展,芯片的散热问题已经成为信息技术发展的桎梏,如何高效快速的排出芯片产生的热量已成为亟待解决的问题。由于风冷散热方式存在散热极限,重要的是在消耗大量电能的同时无法获得同等的冷却效果,已经无法满足当今的数据中心的散热需求,相应的水冷散热因为高效快速的冷却效果逐渐被人们所提倡。与风冷散热不同,水冷散热不仅要关注散热性能,还要考虑其内部的流动损失,在研究过程中不能单方面的对散热性能进行分析。本文采用沟槽式散热器作为研究对象,散热器的结构优化是研究的一个重点,结构优化的目的为在保持水冷沟槽式散热器高换热效果的同时,降低槽道内流体的流动损失。在关于如何优化水冷沟槽式散热器以往的研究中,往往只关注一种结构(例如槽道宽度)对散热器性能的影响,而并未分析多种参数对散热器性能耦合影响,无法获得最佳的结构尺寸组合。此外,散热器顶盖一般采用非可视化材料,内部流动状态不可知,是否存在流动障碍无法知晓,气泡对散热器性能的影响一直是研究的空白点。基于以上不足,本文的研究内容如下:以总熵增为目标参数,采用正交实验法对散热器的结构尺寸进行选择,研究多种结构参数对水冷沟槽式散热器的总熵增影响,获取水冷沟槽式散热器的最佳结构尺寸组合,发现对总熵增影响最大的参数为槽道高度,影响最小的参数为槽道长度。此外,最佳的结构尺寸组合为槽道长度为75mm,槽道高度为4mm,槽道宽度为0.5mm,热扩散板边长为40mm。通过模拟水冷散热器在数据中心冷却系统中的实际运行情况,搭建相应的水冷沟槽式散热器实验台,在研究中选取努塞尔特数Nu、总热阻Re为散热器散热性能研究指标,选取散热器进出口压降、摩擦系数f作为研究流动性能的关键参数,通过不同运行工况的对比可发现槽道式散热器的最佳运行参数为:冷却水流量为0.6L/min,冷却水进口温度为20℃。对槽道中存在滞留气泡对沟槽式散热器进行研究表明,结果表明:滞留气泡对沟槽式散热器的散热性能和流动性能均有影响,对散热性能的影响根据气泡长度而不同,气泡较长时(流量为0.6L/min时),气泡抑制传热过程,而气泡较短时,由于气泡对流体流动的扰流作用,则会产生强化传热的效果。对于流动性能,滞留气泡存在的情况下摩擦系数f和压降都会高于正常槽道。对于局部熵增,由于气泡壁面的扰流和空气域导热系数低的原因,由流动摩擦和传热所引起的局部熵增在气泡区域均出现熵增骤增的现象。
【图文】：

水冷散热器

b.水冷沟槽散热器图 1-5 水冷散热器Fig1-5 Water-cooled radiator液相-气相的冷却液的潜热过程。与单相度减小，传热速率增大，这两个因素都式两相冷却方法，其传热是由热源和散蒸汽通过压力驱动有效地将热能输送到吸管处的重力或热管壁（吸液芯）的毛如图 6 所示。与传统的热管相比，带平性和长距离的热传递效率，在处理器冷另一个好处是减少了服务器内部的液体

散热器,网格划分

第二章槽道散热器的优化设计完成之后，采用软件的网格生成器自动将散热器划分成自水冷散热器主要依靠对流换热进行换热，，所以可忽略辐射的对象，不需要对其进行自定义的网格划分，为了更加精流体区域进行网格细化加密的处理，散热器的网格划分如图材质为铜质，而且为了和实验相贴合，CPU 和热扩散板的液为去离子水，具体物理参数如表 2-2 所示。本文使用对电子冷却这类问题物理问题进行研究，由于冷却水流过00，散热器内的流动状态属于层流。在 COMSOL 中，选择-层流，用以模拟传热和流体流动过程之间的耦合，在选定传热和层流两个物理场接口，而且多物理场接口自动选择
【学位授予单位】：天津商业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN40

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