CPU散热器数值模拟分析及其材料选择的研究

　　随着计算机技术的不断发展，其中央处理器（CPU）的速度不断提高，而体积越来越小，因计算机CPU芯片的功率在不断攀升，使得CPU工作温度越来越高。CPU散热问题也越来越突出。而CPU的工作温度直接关系到计算机的稳定性能和使用寿命，只有其工作温度保持在合理的范围内，计算机才可能进行长久有效的工作，一般CPU表面工作温度为67C.现在控制CPU工作温度常用的方法有：1）降低计算机工作的环境温度；2）对CPU进行散热处理。而中央处理器（CPU）上面的散热肋片作为散热的重要手段，已经被广泛应用。对散热肋片强化传热的研究，也引起了国内外众多学者的关注。

　　国内外关于CPU散热作了很多研究工作，本文选取常见的散热器类型，如所示，材料分别为铝（A1）和铜（Cu），它们的材料参数由表1列出。散热器结构示意图表1材料参数材料材料密度比热导热系数/ 1散热器计算几何尺寸及计算模型1.1散热器计算几何尺寸及简化这里所用的散热片属于型材散热器的范围。它由基板和若干个肋片组成。其结构设计变量为肋高H为40mm，肋长I为65mm.肋片数为19、肋间距在模型计算中不必计算所有空气夹层和肋片，本文选择3个肋片及相应的空气夹层作为计算模型，结构如所示。

　　作为散热片温度场和空气夹层温度场和流场的模拟分析，在分析过程中忽略辐射散热形式，而只考虑热传导和对流换热。在肋片中进行的是导热，而肋片与空气夹层进行的是对流换热。

　　1.2计算模型三维流体区域空气采用不可压缩模型，数值模拟时作如下假设：1）流体物性参数为常数；2）空气作强制三维层流流动；3）稳态流场；4）不考虑自然对流影响；5）壁面光滑表面；6）在能量方程式内忽略粘滞损失。计算中控制方程的求解采用SIMPLE，针对物理模型，列主要控制方程如下：连续性方程动量方程：1.3边界条件气流入口边界条件：空气进口边界给定流体的进口平均风速，空气进风温度为27C；气流出口边界条件：采用压力出口边界条件，与运行环境无压差，设出口静压为0Pa；固体肋片边缘采用绝热边界，固体流体接触面采用耦合条件，流体固体耦合面上的边界条件设置按照壁面函数法来确定。计算区域底面设为等温边界条件，底板两外侧壁面设为绝热边界条件。

　　2计算结果与分析本文对两种不同材料的CPU散热器进行了数值模拟，其整体的温度场的分布如下所示，此图反映了肋片和空气夹层的温度分布情况。由可以看到，散热器基板温度为340K，肋端表面温度是300K与环境空气温度相等，肋端设绝热边界条件是合理的，肋的长度能足够保持较好的散热。

　　在入口风速相同的情况下，两种不同材质散热器内温度场的分布情况如下所示。由图可见，由图可知，铜（Cu）材料作的肋比铝（Al）材料作的肋温度梯度大，可见前者比后者换热效果要好一些。

　　这是因为铜（Cu）导热系数是393（W/mC），而铝（A1）导热系数是156（W/mC）。为了优化CPU散热器结构，可以考虑，在换热效果相同的条件下，所以用铜（Cu）做肋片时，肋高可以相对短一些。

　　CPU散热器温度场分布1=0.02处两种衬料肋片ff度分布情况然而，铜（Cu）密度是铝（Al）密度的大约3倍，虽然用铜（Cu）换热较强，但若用铜（Cu）代替铝（Al）作散热器材料，散热器的重量就会大大增加，在工艺条件允许的情况下，可以考虑在换热较为强烈的区域用部分铜（Cu）代替铝（Al），以加强换热效果。

　　下面是空气夹层在Z= 0.0031处流场的分布图，是在Z=0.0031处平均表面传热系数分布阁51=0003I处流场分布J=0.0031处平均表面传热系数图，由可知，流出空气夹层边缘的地方，流速大，而在散热片底部中心处，流速较小，且形成回流区。在相同条件时，流速大比流速小换热强烈，由可知，边缘处流速大平均表面传热系数也大，底部中心处流速小，平均表面传热系数也小，导致此处换热效果不好。在实际换热中，风扇本身中心处有盲区，这样会使得CPU散热器底面中心处的换热更加恶劣，在环境温度较高时，应充分考虑散热器底面中心处的散热情况。

　　沿叻高方向f均温度值的分布实验中材料铝作为CPU散热器，实验结果是在相同功率的风速下测得的实验值，比较实验与数值模拟的结果，数值模拟结果表明中间温度较高，换热不好，而边缘温度低，符合实际情况，并接近的实验测得的结果，说明数值模拟的结果是正确的。

　　3结论文中所用的型材散热片目前已有国家标准（GB742 3.2-87），但该标准中的散热肋片结构并没有进行优化。

　　在肋片与基板相连的中心处形成回流区，换热效果不好。在设计CPU散热器结构时应着重给予考虑。

　　在换热效果相同的条件下，因为铜（Cu）材料导热系数远比铝（Al）材料导热系数，肋高可以相对短一些。）因为Cu材料的导热系数较Al材料大，假想有一定量的Cu代替Al，特别是在容易形成回流区的中心部位，达到优化散热肋片材料，从而可达到优化散热肋片结构的目的。