服务器热特性的数值建模和优化设计

发布时间：2020-08-12 02:43

【摘要】： 热分析和热设计技术已成为现代电子设备设计和研究过程中一个重要研究课题。采用数值仿真方法分析电子设备的热特性是热分析研究领域的重要内容,目前基于有限容积法的热仿真软件已广泛应用于电子设备设计开发中,通过对此类软件的应用,使产品在研发期间就能发现缺陷并提出更改方案。基于此,本文以2U机架式服务器为研究对象,对其热特性的数值建模方法进行了研究,并采用优化设计方法对初始方案进行了优化设计,具体工作如下: (1)研究了热设计数值仿真分析技术的建模方法和建模理论。描述了一阶迎风格式对控制方程的离散过程,基于交错网格的SIMPLEST算法建立和求解过程以及紊流模型的建模过程。 (2)对服务器热仿真模型的建模方法进行了研究。讨论了环境因素对服务器散热的影响,明确了求解域的设置,通过分析指出了采用厚型壁对机箱进行建模原因,研究了PCB板建模方法并分析了其不足,给出了封装芯片的热网络简化模型的建模方式;研究了影响打孔板热流特性的因素给出了其设置方案;介绍了风扇的建模过程;讨论了体积阻尼对电源建模的影响;通过分析指出了网格划分对散热器实体模型热仿真计算的重要性;讨论了仿真求解过程中常见问题,并提出了解决这些问题的方法。考察了不同紊流模型对仿真结果的影响以及热辐射对服务器热特性的影响。 (3)通过分析风扇出口与芯片之间的距离对前端两芯片热特性的影响,确定前端芯片布局方案。采用基于试验设计的循序优化对后部芯片的位置进行优化设计,使后部芯片散热效率大幅提高。 (4)论述了散热器设计原理和方法,分析了不同形式的散热器在服务器上的应用效果,提出直肋散热器适合采用的优势,分析了材料和散热器底板厚对散热器效率的影响,简述了响应面法的基本理论,并通过响应面优化对肋片结构进行了优化设计,使得服务器散热效率得到进一步提高。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP368.5
【图文】：

交错网格,编码系统,动量方程,主控制

为此，本文以二维问题为例对该过程进行说明，图 2-2 给出了交错网格的结构及其编码方式[22]。图中，实线表原始计算网格线，实心圆点表计算节点（主控制体积的中心），虚线表主控制体积界面。位置（i， J）处的关于速度i ,Ju 的动量方程的离散形式为( )i , J i , J nb nb I 1, J I , J i , J i ,Ja u a u P P A b = ∑ + +（2-9）式中，Ai，J是 u 控制体积东界面或西界面面积，b 为不包括压力在内的 u 动量方程的源项部分，对于稳态问题，参考式（2-8）有：i ,J uC nb = S ΔV （2-10）式中，SuC可以线性分解为 Su= SuC+ SuPuP。

结构图,机箱,服务器,结构图

第三章服务器的数值建模方法研究本文研究对象为 2U 机架式服务器，它包含硬盘、风扇、PCB 板、带散热器的 CPU 芯片以及电源，其结构见图 3-1。其中硬盘位于机箱进气口，以 3 个 1 组固定在硬盘支架上；散热风扇固定在风扇支架上，位于硬盘出风口；风扇之后左为带散热风扇的电源，右为带 4 个 CPU 芯片的主板，芯片上装有散热器。各主构件特性参数见表 3-1。

机箱,开式,环境温度,外部环境

端芯片编号为 1。边界条件设置温度与流体流体温度设置进行仿真求解，首先要对整个求解域的外部环境条件进行包括：外部环境温度、外部环境压力、外部辐射温度（如果采用强迫风冷进行散热还涉及到对紊流动能和紊流的耗温度的设置具有如下作用：（1）通过进气扇或通风孔或横部的气流温度；（2）默认情况下，浮力的参考温度；（3）初始温度。对于单个风扇或气孔，也可以设置局部进气温度在开式机箱上的应用。在气流出口处，离开机箱的气流此时，外部环境温度对气流温度的影响不大。

【引证文献】