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、问题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dpd云+妾(PC邓mi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S是稀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：dP 8,、pucTOC\o"1-5"\h\z+一(pu)+—(pv)+ =Sdtdx dr rm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：—(pu)+dtid—(pu)+dtiddxj(puu.)=--dx'+合；+pg.+Fij式中，p是静压;d式中，p是静压;dudu\T=Qi+jijdxdxVji)"是应力张量，定义为:du e—QlOdx ijiF.是重力体积力和其它体积力(如源于两相之间的作用)，F.还可以包括其它模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：d 1d 1d dp—(pu)+——(rpuu)+——(rpvu)=—上dt rdx rdr dx1d+1d+ rdxr』2义—2(V-v)'Vdx3 )1d+1d+rdrrQ(dudv)+\drdx)g(pv)+1£(g)+1A(rpvv)―也

dtrdx rdr dr1a+ rdx1a+ rdrv211 w2-21—+-1(V-V)+p——+Fr2 3r rrw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2FLUENT求解的能量方程形式如下：dd ddT-(p^)(u(pE+p))=—(k---zhJ+u(t)+Sdt dx,1 dx,effdx,了jjj司effh式中，k=k+k，为有效导热系数(湍流导热系数根据湍流模型来定义)。J.,是组分j的扩霰通量。方程右边前三项分别为导热项，组分扩散项和粘性耗散项。Sh是包括化学反应热和其它体积热源的源项。其中，日Jp,u2E=h一一+tp2对于理想气体，焓定义为：h=Zm,h,；对于不可压缩气体，焓定义为：h=£m.,h+p。m.,是组分j的质量分数：组分/的焓定义为：h=TcdT，其中-J=298p15K。 Trefpref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：硬盘一block-harddisk（为方便起见，设置为空心壳体），软驱一block-floppy（空心壳体），CPU芯片一block-cpuchip（为发热件，设置为实心固体），CPU底板一block-cpubase（实心固体），CPU风扇底板一block-cpufanbase（实心固体），PCMCIA卡一block-pcmcia，电源模块~block-ps（电源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-blockspace，PCB板一pcbl〜2（厚度为0.0015m），电源板一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，系统排风风扇一exh-fan，CPU风扇的通风口—grille-fano3、 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Totalpower=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：Curvespecification025.2▲1.33e-4025.2▲1.33e-420.S2.33e-415.62.99e-410.44.05e-40Thefollowingcurvespecificationconsistsofalistofvolume_flow/pressurepairs,whichdefineapiecewise-linearcurve.Spacingisnotsignificantaslongasthenumbersaregiveninpairs.Volumeflowunits|m3/sPressureunits|N/m2^|I-FixvaluesrFixvaluesAcceptResetCancelLoad1Save1VolumetrieFlowRalePressureDrop0纣，133520.8^15一6小10.44一05巳*0图4CPU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:VolumetricFlowRatePressureDrop011.762.49e-47.4484.99e-44.417.48e-43.1369.47e-40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Velocitylosscoefficient（速度损失系数），选择Approach并设置Quadraticcoeff.为30。4、网格划分

表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Meshcontrol面板中，设置MaxXsize为0.02,MaxYsize为0.004,MaxZsize为0.02，选中Initheight选项，并设为0.002,在Meshparameters下拉栏中选择Coarse，设置Maxsizeratio为3。虽然生成的是粗(coarse)网格，减小Maxsizeratio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-relaxationfactors)，由于模型相对较为复杂，你需要改变松弛系数(under-relaxationfactors)的缺省设置。设置Pressure的松弛系数(Under-relaxationfactor)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、上述方案的改进为使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设计进行改进，以达到降低CPU芯片的最高温度的目的。改进的方法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。keff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在主流量具有很大的导热系数。等效热传导系数（keff）可以由下式近似求出keff——p—ARth式中Lp,A,和R.分别是长度，截面面积及热管的热阻.对于本练习，假设，R^=0.2则求得kf«3000.材料另外两个方向的导热系数假定为150.在Materials面板中的orthotropicconductivity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。Residuals continuity x-velocityy-velocityResiduals continuity x-velocityy-velocity z-velocityenergyScaledResidualsJan03,2014FLUENT6.3(3d.pbns,atm)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StaticTemperature改进前（K）改进后（K）Block-cpuchip-solid365.528344.91Block-cpubase364.79344.27Block-ps337.81336.94Ps-plate1337.82336.95Ps-plate2336,.25336.1013655023.62e+02358e+02355e*023.51e+O2347e+Q2344。+02340e*023.37e+02I333e