散热理论与流场分析基础讲义.ppt

散热理论与流场分析基础 Basic Theory of Heat Transfer & Air Flow Analysis,DWHD-SI-ERA 2007.05.18,摘要 Abstract,热传的重要性 传热的三种方式 PC系统主要发热元件及散热方式 CFD理论基础 散热设计与流场分析,热传的重要性,涉及范围广泛： 能源动力，化工制药，航空，机械制造 温度影响元部件工作性能： 电脑的重要部件由晶体管组成，温度对二极管性能的影响非常大 温度影响元部件寿命： 温度过高对风扇与硬盘等其他的零件的寿命影响也非常大。对风扇来说，温度每上升10度，其寿命缩短一半。,传热的三种方式,导热 对流 热辐射,传热的三种方式导热,导热（热传导） 物体各部分间不发生相对运动，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。,热流量，单位时间内流过 给定面积的热量(W) 导热系数(W/(m.K) A导热面积(m2),传热的三种方式导热,导热系数 物性参数 物质热传导率的性质： 固体 液体 气体 金属 非金属 单体 化合物 热传导率一般来说与导电率成正比的关系，导电率好的其热传导率也好。 几种常见的物质热传导率比较： 钻石 银 金 铜 铝 导热膏 空气,传热的三种方式对流,对流： 由于流体的宏观运动，流体各部分间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程称为对流。,h对流传热系数(W/(m2.K),传热的三种方式对流,传热方式：,自然对流温度差，密度差； 强制对流有强制驱动力,传热的三种方式对流,对流传热系数 这是衡量流体（液体或者气体）向固体（或者从固体导体）传导热量的效率。影响这个参数的因素很多，比如流体密度、流体速度、流体粘性、固体几何型态等等因素。,传热的三种方式热辐射,热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式叫辐射，其中因热的原因发出的辐射叫做热辐射。,=AF1-2(T4surface-T4surr) 代表热辐射率 代表史蒂文波尔兹曼系数 A 代表物体的表面积 F1-2 代表辐射热交换的角度和表面的函数关系， Tsurface 代表物体表面温度， Tsurr 代表物体周围环境温度,PC系统主要发热元件及散热方式,CPU,GMCH,ICH,MEMORY,MOSFET,PC系统主要发热元件及散热方式,IC,NIC,HDD,ODD,PC系统主要发热元件及散热方式,元件的组成一般为： 功能核心（发热核心）+外部封装,元件的热量传递：,强制对流系统辐射传热所占的比重很小，但对于自然对流系统，则必须考虑辐射传热,CFD理论基础,CFDComputational Fluid Dynamics,CFD即为流动基本方程下的数值模拟,CFD理论基础,流体的性质：,粘性、热传导、扩散,流动： 层流，紊流,CFD理论基础,流动基本方程控制方程 连续性方程(质量守恒方程) 单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体内的净质量。 动量守恒方程 微元体中流体的动量随时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。 能量守恒方程 微元体中能量的增加率等于进入微元体中的净热流量加上体力与面力所做的功。,CFD理论基础,流动基本方程控制方程(通式) 展开,密度（kg/m3） u速度矢量（m/s）,CFD理论基础,ui 微元体沿i方向的速度分量，i=x,y,z; 流体动力粘度（N.s/m2） T 温度（K） k 对流传热系数 c 比热容（J/(kg.K)） S 广义源项,CFD理论基础,控制方程的离散化,有限差分法(Finite Difference Method FDM) 用差商代替微商 有限元法(Finite Element Method FEM) 将系统划分网格，节点间通过插值函数与节点关联， 通过极值原理将控制方程转化为节点的代数方程。 有限体积法(Finite Volume Method FVM) 将计算域划分为不重复的控制体积，对微分方程在控制 体积上作积分，从而得到关于网格点为变量的离散方程组。,CFD理论基础,CFD求解过程,建立控制方程,确立初始及边界条件,划分网格，生成节点,建立离散方程,离散初始及边界条件,给定求解控制参数,求解离散方程,解是否收敛,否,是,显示和输出结果,散热设计与流场分析,Spec.高的组件尽量放在一起，Spec.低的组件不要靠近发热量大、Spec.高的组件 散热膏的对散热模组影响很大，选取非常重要 Heat sink 翅片的高度与间距搭配 风扇入口至少3mm应避免有障碍物以免阻抗影响风扇流量 高发热元件尽量放在流场好的地方 ,散热设计与流场分析,CFD分析的软件: FLUENT、STARCD、FLOW3D、CFX,针对热传和流体的软件（PC系统）: FLUENT (Icepak、FLOTHERM),散热设计与流场分析,根据给定条件拟定设计方案 环境： Tamb=50C，灰尘大 方案：系统尽量密封，尽量不使用外部风扇 CPU，GMCH，ICH热量尽量引到系 统外部 ,散热设计与流场分析,建立模型，设置边界及初始条件,散热设计与流场分析,网格划分,散热设计与流场分析,设置监控点，计算得出结果,散热设计与流场分析,结果分析温度分布,内部温度分布,组件温度