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故事摘要

摘要:隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，對大數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)的要求也越來越高，服務(wù)器的功率密度急劇攀升，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式瓶頸已經(jīng)凸顯，液冷技術(shù)逐漸登上舞臺(tái)，成為服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心的主角。本文主要簡述了運(yùn)用Simcenter? Flotherm? 軟件進(jìn)行服務(wù)器的液冷 (冷板式)散熱仿真和優(yōu)化分析。

(資料圖片)

關(guān)鍵詞:服務(wù)器；風(fēng)冷；液冷仿真；冷板式

引言

冷板式液冷的原理：利用流體作為熱量傳輸?shù)拿浇椋瑢崃總鬟f到遠(yuǎn)端再進(jìn)行散熱，冷卻后的液體再次流到發(fā)熱元件，如此循環(huán)往復(fù)。顯而易見，水冷板是整個(gè)水冷系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，其效率的高低決定了整個(gè)散熱系統(tǒng)的散熱能力。本文簡述了應(yīng)用Simcenter Flotherm軟件進(jìn)行服務(wù)器的液冷 (冷板式)散熱仿真，通過對冷板內(nèi)部Fin片的不同參數(shù)進(jìn)行仿真對比尋找最優(yōu)方案。

冷板

1 乘員艙熱舒適性模型

冷板即電子元件的熱交換器。冷板技術(shù)就是通過銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬制成的密閉腔體，將發(fā)熱元件的熱量間接傳遞給在密閉的循環(huán)管路中的冷卻液體，最終借助冷卻液將熱量帶走。

冷板的組成：典型的冷板一板由蓋板、Fin片、底板和側(cè)壁等部分組成，其結(jié)構(gòu)形式如上圖所示。

冷板的散熱主要與冷卻液的流量和物性參數(shù)，冷板內(nèi)的換熱面積，以及冷板內(nèi)Fin片的設(shè)計(jì)相關(guān)。為了確保元件的熱被冷卻液盡量的全部帶走，冷板的內(nèi)部設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2 理論分析

能量守恒定律:Q=m*Cp*(Tout-Tin)=p*v*Cp*(Tout-Tin)

Q-元件的熱功耗；m-流體的質(zhì)量流量=pv；Cp-流體的比熱容；

從公式可以看出影響傳熱的因素：流體的物性參數(shù)(密度，比熱)，流速等等。故從成本與傳熱性能考慮，去離子水是理想的傳熱流體。

牛頓冷卻定律:Q=h*A*(Tw-Tf)*η0

h-對流換熱系數(shù)；A-表面積；Tw-物體表面溫度；Tf-流體溫度；η0-冷板效率。

冷板效率公式:η0=1-(A1/A)* (1- ηf)

由此可見，冷板的散熱主要與冷卻液的流量物性參數(shù)（密度，比熱)、冷板的換熱面積、冷板內(nèi)部Fin片的設(shè)計(jì)有關(guān)。

故本文主要針對冷卻液選擇去離子水+20%乙二醇 (防凍液) ，F(xiàn)in片內(nèi)部采用平行Fin (與流道方向平行)設(shè)計(jì)，通過5種不同的Fin厚度與Pith的設(shè)計(jì)方案，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3 冷板設(shè)計(jì)規(guī)格

4 冷板模型建立

散熱仿真軟件的幾何建模能力遠(yuǎn)不如專業(yè)的結(jié)構(gòu)畫圖軟件，而且越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間越長。因此建模的關(guān)鍵在于對實(shí)際的元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化，在保證仿真建模的準(zhǔn)確度的同時(shí)，盡可能的簡化模型。為減少計(jì)算時(shí)間和能更加直觀的觀察傳熱的情況和規(guī)律，冷板式散熱仿真只針對CPU和水冷板以及管路進(jìn)行模型建立。

1)CPU(采用Intel散熱仿真的標(biāo)準(zhǔn)Flotherm模型進(jìn)行散熱仿真)；

3)管路采用enclosure進(jìn)行建模，材料屬性: Cu (參數(shù)如下圖所示）

4)為保證CPU與冷板更好接觸，需增加導(dǎo)熱膏(厚度0.1mm);

5)對CPU/管路進(jìn)出水口進(jìn)行溫度和流量的監(jiān)控；

6)對整體模型機(jī)型網(wǎng)格優(yōu)化與檢查。

(整體模型如下圖所示)

5 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分中，針對流速、溫度變化較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的加密，對于流速、溫度變化平緩的區(qū)域，網(wǎng)格可以稀疏。這樣的設(shè)置既可以滿足計(jì)算的精確度又不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格太多，造成求解效率過低。

為了能準(zhǔn)確的捕捉水冷板的流場和邊界層信息，流道的網(wǎng)格需要局部加密；

尤其是水冷板中Fin片 (Fin片與Fin至少要有1-2網(wǎng)格切割) ;

導(dǎo)熱膏厚度的方向至少3-4個(gè)網(wǎng)格切割；

6 模型邊界條件設(shè)置

1)水冷板仿真是氣液共存的狀態(tài)需要把氣液進(jìn)行Volume Region進(jìn)行隔離 (冷卻液的流道需要與氣體進(jìn)行Region隔離) ;

2)在進(jìn)水管端口設(shè)置等截面的Fixed Flow，提供進(jìn)液流量 (設(shè)置如下圖)。

7 仿真結(jié)果與分析

1) 收斂的標(biāo)準(zhǔn)

隨著迭代計(jì)算的進(jìn)行，參數(shù)殘差值穩(wěn)定在某一數(shù)值并且監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)值不隨迭代次數(shù)的增加而變化。

2) 溫度、速度、壓力分布云圖:

3) 仿真數(shù)據(jù)

t: Fin片厚度，p: Pitch (mm) Fin片高度固定為3mm

從仿真結(jié)果看：方案 (兩CPU串聯(lián)) 相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方案最優(yōu) (CPU1溫度最低，且CPUO與CPU1溫差在5C之內(nèi)，流阻比方案1-傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低6.3Kpa)。

總結(jié)

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，串聯(lián)的CPU冷板方案類似于前后布置的CPU風(fēng)冷方案，需要在fin厚以及pitch (間距)之間做到平衡，在滿足客戶溫差要求的范圍內(nèi)做到流阻最小，同時(shí)還要滿足Tcase的溫度要求，這需要我們不斷調(diào)整前后冷板的fin厚和pitch間距，尋找fin片的最優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)

李波 Flotherm軟件基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例 (第二版)

李潔 液冷革命一項(xiàng)改變數(shù)據(jù)中心的黑科技

西門子總結(jié)與點(diǎn)評(píng)

《基于 Flotherm 軟件的服務(wù)器液冷散熱仿真分析》論文點(diǎn)評(píng)文:

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的快速發(fā)展，讓人類的生活日趨便捷，也讓世界更加互聯(lián)，這就需要越來越多的計(jì)算能力。而追求高計(jì)算能力的同時(shí)，將直接導(dǎo)致芯片功耗及散熱成為新的挑戰(zhàn)。液冷技術(shù)又分為全覆蓋式冷板液冷和浸沒式液冷，目前全覆蓋式冷板液冷技術(shù)較為成熟，浸沒式液冷剛起步，還存在很多問題需要解決，比如密封的問題和電子冷卻液的問題。論文中聯(lián)想服務(wù)器熱設(shè)計(jì)部門的工程師，采用Simcenter? Flotherm? 對冷板式液冷服務(wù)器進(jìn)行了散熱仿真和優(yōu)化分析，通過對冷板內(nèi)部Fin片的不同參數(shù)進(jìn)行仿真對比，找到了最優(yōu)的方案。在模型的處理上，客戶通過Simcenter Flotherm的網(wǎng)格劃分，針對流速、溫度變化較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的加密，對于流速、溫度變化平緩的區(qū)域，網(wǎng)格可以稀疏處理，這樣平衡了計(jì)算的規(guī)模和流體計(jì)算的精度。通過5種方案的計(jì)算，通過不斷調(diào)整前后冷板的Fin厚度和Pitch的間距，在滿足客戶溫差要求的范圍內(nèi)，做到流阻最小同時(shí)滿足芯片結(jié)溫的要求。目前工程師還是通過個(gè)人經(jīng)驗(yàn)結(jié)合Simcenter Flotherm熱仿真的能力，進(jìn)行了優(yōu)化分析，未來可以更進(jìn)一步接觸Simcenter Flotherm自帶的優(yōu)化仿真分析功能，自動(dòng)通過DOE或者響應(yīng)面優(yōu)化的方法，對Fin尺寸進(jìn)行更佳的優(yōu)化，同時(shí)Simcenter Flotherm還能夠跟HEEDS相結(jié)合，進(jìn)行設(shè)計(jì)空間探索，能夠更輕松、更快速的進(jìn)行熱仿真的優(yōu)化迭代，自動(dòng)進(jìn)行尋優(yōu)熱設(shè)計(jì)，對提升工程師仿真能力和效率都非常有效。

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