ICEPAK 筆記本電腦散熱模擬

1、筆記本電腦散熱分析模擬本次模擬主要是創(chuàng)建一個(gè)包含各種部件的筆記本電腦模型，模擬的目的是檢驗(yàn)風(fēng)扇及通風(fēng)口提供的風(fēng)量能否滿足冷卻CPU芯片、電源、硬盤和PCB板的需要。采用ICEPAK軟件建模和邊界條件設(shè)定，模擬由FLUENT軟件完成，ORIGIN軟件結(jié)果后處理。一、問題描述計(jì)算域包括一個(gè)硬盤、一個(gè)軟驅(qū)、一個(gè)CPU芯片、一塊PCMCIA卡，四塊PCB板和一個(gè)電源模塊，如圖1和圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)風(fēng)扇和四個(gè)通風(fēng)口冷卻,系統(tǒng)流動(dòng)屬于湍流。圖1問題描述圖2ICEPAK中完整模型圖二、控制方程1、連續(xù)和動(dòng)量方程對(duì)于所有流動(dòng)，F(xiàn)LUENT都求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。對(duì)于包含傳熱或可壓性流動(dòng)，還需要增加能量

2、守恒方程。對(duì)于有組分混合或者化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)問題則要增加組分守恒方程，當(dāng)選擇pdf模型時(shí)，需要求解混合分?jǐn)?shù)及其方差的守恒方程。如果是湍流問題，還有相應(yīng)的輸運(yùn)方程需要求解。1.1質(zhì)量守恒方程空+空(pu)二Sdtdximi該方程是質(zhì)量守恒的總的形式，可以適合可壓和不可壓流動(dòng)。源項(xiàng)S是稀疏相增加到連續(xù)相中的質(zhì)量，(如液體蒸發(fā)變成氣體)或者質(zhì)量源項(xiàng)(用戶定義)。對(duì)于二維軸對(duì)稱幾何條件，連續(xù)方程可以寫成：TOC o 1-5 h zdpddpv+(pu)+(pv)+-=Sdtdxdrrm式中，x是軸向坐標(biāo)；r是徑向坐標(biāo)，u和v分別是軸向和徑向速度分量。1.2動(dòng)量守恒方程慣性坐標(biāo)系下，i方向的動(dòng)量守恒方程為

3、：dddpdi(pu)+(puu)=+j+pg+Fdtidxijdxdcijij式中，p是靜壓；是應(yīng)力張量，定義為：廿duyio,pg，dxijiidudui+jdxdxji丿-F是重力體積力和其它體積力(如源于兩相之間的作用)，F(xiàn)還可以包括其它模ii型源項(xiàng)或者用戶自定義源項(xiàng)。對(duì)于二維軸對(duì)稱幾何條件，軸向和軸向的動(dòng)量守恒方程分別為：d1d1ddp(pu)+(rpuu)+(rpvu)=上dtrdxrdrdxdu2+1旦ryf2竺2(V-)rdxvdx3丿rdxdx31d+rdrrydud-+(drdx丿匚(pv)+FLUENT求解的能量方程形式如下:ddddT（pE）+?。╱（pE+p）=-（k

4、-工hJ+u（T）+Sdtdxidxeffdxjjj耳hiij式中，k二k+k，為有效導(dǎo)熱系數(shù)（湍流導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)湍流模型來定義）。J,是組分j,的擴(kuò)散通量。方程右邊前三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)，組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性耗散項(xiàng)。S是包括化學(xué)反應(yīng)熱和其它體積熱源的源項(xiàng)。其中，h對(duì)于理想氣體，焓定義為：h二工mh；對(duì)于不可壓縮氣體，焓定義為：f（h=Emh+P。m是組分j，的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，組分j，的焓定義為：h二cdT,.,j,j,pj,j,p,j,其中丿T二298.15K。Tref2(rpuv)+1(rpvv)dtrdxrdrdr1d+rdxdvdury+(dxdr丿dv21d+rdrrj2dV-ref(V-V)Ldx

5、3丿v2yw22y+（Vv）+p+Fr23rrrw是旋流速度。1.3能量方程FLUENT可以計(jì)算流體和（或者）固體區(qū)域之間的傳熱問題。如果是周期性換熱流動(dòng)，則流動(dòng)邊界要給定周期邊界條件。如果計(jì)算計(jì)算模型包括兩個(gè)流動(dòng)區(qū)域，中間被固體或者墻壁隔開的換熱問題，則要特別注意：1,兩個(gè)流體都不能用流出邊界條件（outflow）；2,兩個(gè)區(qū)域的流動(dòng)介質(zhì)可以不同，但要分別定義流體性質(zhì)（如果計(jì)算組分，只能給一個(gè)混合組分）。流體1流體2三、模型建立，初始條件及邊界條件設(shè)定1、材料選擇CPU芯片材料：solid-cpuchip，設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)（Conductivity）為10W/m.K,密度（density）和比熱

6、（specificheat）在計(jì)算中不會(huì)用到，所以你可以保持缺省值.固體材料的密度和比熱只在瞬態(tài)模擬中使用。CPU底板材料：solid-cpubase。PCB板材料：solid-pcb，conductivity（導(dǎo)熱系數(shù)）設(shè)為15W/m-K。CPU風(fēng)扇底板：Al-DieCast。電源模塊：Al-Extruded。圖3材料導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置2、模型建立各部件分別命名為：硬盤一block-harddisk（為方便起見，設(shè)置為空心殼體）,軟驅(qū)一block-floppy（空心殼體），CPU芯片一block-cpuchip（為發(fā)熱件，設(shè)置為實(shí)心固體），CPU底板一block-cpubase（實(shí)心固體），CPU

7、風(fēng)扇底板一block-cpufanbase（實(shí)心固體），PCMCIA卡一block-pcmcia,電源模塊block-ps（電源模塊由外部的實(shí)心長方體和內(nèi)部的空心長方體組成），不發(fā)熱的器件blockspace，PCB板一pcb12（厚度為0.0015m）,電源板一ps-plate12（厚度0.0015m）,接觸熱阻cont-resist（0.0025C/W），7個(gè)熱源以模擬芯片的功耗及PCB板上的功耗器件（功率分別為1W,0.594W,0.55W,1.15W,0.594W,1.5W,1.2W,CPU風(fēng)扇一cpu-fan設(shè)置為internal類型，系統(tǒng)排風(fēng)風(fēng)扇一exh-fan，CPU風(fēng)扇的通風(fēng)口

8、一grille-fan。3、初始及邊界條件設(shè)置a）CPU芯片block-cpuchip（為發(fā)熱件，設(shè)置為實(shí)心固體）功率設(shè)置為10W；b）CPU風(fēng)扇底板Totalpower=0.465W；c）ps-plate1，功率2W；d）ps-plate2，功率0.4W；e）CPU風(fēng)扇是圓形風(fēng)扇，其特性曲線定義了體積流量與壓降的關(guān)系：Curvespecification025.21.33e-420.S2.33e-415.62.99e-410.44.05e-407Thefollowingcurvespecificationconsistsofalistofvolume_flow/pressurepairs,w

9、hichdefineapiecewisei門已引curve.Spacingisnotsignificantaslongasthenumbersaregiveninpairs.Volumeflowunits廠Fixvalues|m3/sAcceptIResetICancel1LoadISaveIPressureunitsFixvaluesVolumetrieFlowRalePressureDrop0ISAL33皿20.8233皿15_6pgg皿10.44一05巳斗0圖4CPU風(fēng)扇壓降與體積流量的關(guān)系f）排風(fēng)風(fēng)扇是圓形風(fēng)扇，其特性曲線定義了體積流量與壓降的關(guān)系:VolumetrieFlowRate

10、PressureDrop011.762.49e-47.4484.99e-44.417.48e-43.1369.47e-40圖5排氣風(fēng)扇壓降與體積流量的關(guān)系g）CPU風(fēng)扇的通風(fēng)口，對(duì)于Velocitylosscoefficient（速度損失系數(shù)），選擇Approach并設(shè)置Quadraticcoeff.為30。4、網(wǎng)格劃分表6網(wǎng)格劃分設(shè)置由于整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是基本的六邊形，因此網(wǎng)格劃分比較簡單，用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格即可達(dá)到要求。在Meshcontrol面板中，設(shè)置MaxXsize為0.02,MaxYsize為0.004,MaxZsize為0.02，選中Initheight選項(xiàng)，并設(shè)為0.002，在Mesh

11、parameters下拉欄中選擇Coarse，設(shè)置Maxsizeratio為3。雖然生成的是粗(coarse)網(wǎng)格，減小Maxsizeratio的值會(huì)保證對(duì)象邊界附近的網(wǎng)格不至于太大。Icepak會(huì)提示說模型對(duì)象之間的最小間距小于模型中對(duì)象最小尺寸的10%.有三種選擇：停止生成網(wǎng)格、忽略警告、和允許Icepak自動(dòng)修正尺寸.表7生成網(wǎng)格四、迭代及數(shù)值求解修改松弛系數(shù)(under-relaxationfactors)，由于模型相對(duì)較為復(fù)雜，你需要改變松弛系數(shù)(under-relaxationfactors)的缺省設(shè)置。設(shè)置Pressure的松弛系數(shù)(Under-relaxationfactor)

12、為0.7，Momentum為0.3。設(shè)置求解迭代步數(shù)為1000步進(jìn)行迭代求解。迭代收斂曲線如圖8所示。Residualscontinuityx-velcwityy-velocityz-velocityenerqy1e*01-q1e+00-：1e-01-.1e05T炯E柿伽時(shí)TR喇帕神1e-061e-07-_，._16*08*11*111111020040060080010001200IterationsScaledResidualsJan03,2014FLUENT6.3(3d,pbns,atm)圖8收斂情況五、上述方案的改進(jìn)為使CPU芯片的最高溫度降到可接受的范圍之內(nèi)，對(duì)上述筆記本電腦的設(shè)計(jì)進(jìn)

13、行改進(jìn)，以達(dá)到降低CPU芯片的最高溫度的目的。改進(jìn)的方法是在排風(fēng)風(fēng)扇附近放置一散熱器，并通過熱管連接到CPU芯片。在本次計(jì)算中熱管通過等效熱傳導(dǎo)系數(shù)來模擬這是一種近似，熱管幾何模型與真實(shí)熱管一樣，但由于真實(shí)熱管具有非常大的換熱能力，你需要指定熱管模型在主流量具有很大的導(dǎo)熱系數(shù)。等效熱傳導(dǎo)系數(shù)（k丿可以由下式近似求出:effLk=peffARth式中L,A,和R分別是長度，截面面積及熱管的熱阻對(duì)于本練習(xí)，假設(shè)，pthR二0.2則求得k沁3000.材料另外兩個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)假定為150.在Materialstheff面板中的orthotropicconductivity選項(xiàng)下可以改變這些值。對(duì)改進(jìn)

14、的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，迭代計(jì)算。Jan03,2014FLUENT6.3(3d.pbns.atm)圖 改進(jìn)前各部件表面溫度分布情況Residualscontinuityx-velocityy-velocityz-velocityenergyScaledResidualsJan03,2014FLUENT6.3(3d.pbns,atm)圖10收斂情況六、計(jì)算結(jié)果對(duì)照分析就改進(jìn)前和改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，各部件的最高溫度如下表:表1各部件最高溫度對(duì)照StaticTemperature改進(jìn)前（K）改進(jìn)后（K）Block-cpuchip-solid365.528344.91Block-cpubase3

15、64.79344.27Block-ps337.81336.94Ps-platel337.82336.95Ps-plate2336,.25336.101365e*023.62e*02358e+02355e*023.51e+O2347e+Q2344e+O2340e*023.37e+02I333e+O2329+02326e*02322e+02318e+02315+023.11e*02308e+02304e+02300e+0297e*0293e+02ContoursofStaticTemperature(k)Jan03,2014FLUENT6.3(3d.pbns,atm)圖 改進(jìn)前各部件表面溫度分布情

16、況345e*02342e+O2340g+02337*02334e+02332e+Q2329e+Q23.27e*023.24e+02322e+02319e+02316e+023.146+023.11e*02309e+02306e*02303e+023.01e+02298e+02296e*02293e+02ContoursofStaticTemperature(k)Jan03,2014FLUENT6.3(3d.pbns,atm)圖12改進(jìn)前各部件表面溫度分布情況Jan03,2014FLUENT6.3(3d.pbns,atm)12426*00230e+00218G+002.06e*00194e+00182e+00170e+00157e*00145e+OOI1.33e+00121e+00109e*00969e-01848e-O1727e-O1606e-01484e-0163e-01242e-O1121e-01