CPU 芯片的集成化使其发热量不断增加，对配套液冷散热器的性能要求不断提高。由于 CPU液冷散热器内流体运动复杂且流动空间狭小，难以通过实验方法对其进行性能分析与结构优化。通过使用ANSYS FLUENT对CPU液冷散热器进行数值模拟，得出结论：综合考虑散热器性能及制造运行成本，制冷液温度应设置为20℃，入口流速5m/s；对角结构的散热器散热效果优于同侧结构；在散热器内增加导流板可获得更好的散热效果，明显降低CPU局部的最高温度。
关键词：液冷散热器；数值模拟；温度分布
引言
CPU 芯片的集成化不断发展，使其单位面积的发热量不断增加。温度过高时，CPU 芯片的性能显著下降，直接影响到整个计算机系统的安全稳定运行。液冷散热器以其较高的冷却效率在CPU芯片冷却设备中得到广泛应用，如何对CPU液冷散热器进行性能评估并进一步优化其结构尤为重要。
石育佳[1]等对液冷散热器中冷却液的选取进行研究，比较了3种液冷器件和3种冷却液各自具备的优势；邹子文[2]等对空腔式、翅柱式、隔板翅柱混合式三种不同的液冷散热器结构进行研究，对三种不同结构的冷却效果进行了对比。本文通过使用 ANSYS FLUENT 软件对两种不同结构的液冷散热器在不同工况下的运行进行数值模拟，并对其结构进行了优化。
01数值计算方法
1.1 模型建立与网格划分
如图1，所研究的散热器模型底面为边长为21.1mm的正方形，高为6mm。此规格的CPU液冷散热器，其进出口管道的边长一般设置在3mm左右[3]，管长为28.4mm。散热器底部受到CPU热量的加热，认为整个散热器的底板热流密度分布均匀。使用 GAMBIT 建立模型并划分网格并进行网格无关性验证。边界条件设置如表1。
图1 模型结构
表1 边界条件
02结果分析
2.1 流体入口温度对换热性能的影响
保持其他条件不变，由于CPU水冷散热器的入口温度一般设置在20℃左右[4]，探究流体入口温度对换热性能的影响时，设置冷流体入口温度分别为283.15K、288.15K、293.15K、298.15K，获得温度云图见图2至图5。由云图可知，温度从低到高变化时，高温区与低温区的分布位置基本不变：高温区集中在出口管道所在侧，低温区集中在入口管道所在侧。
图2 283.15 K底面温度云图
图3 288.15 K底面温度云图
图4 293.15 K底面温度云图
图5 298.15 K底面温度云图
利用 Fluent 计算并记录底面温度的面积加权平均值、最大值、最小值。
由曲线可知，随温度升高，相应底面温度的面积加权平均值、最大值、最小值均升高，入口流体10℃、15℃、20℃、25℃对应CPU最高温度分别为51.17℃、56.17℃、56.64℃、66.17℃，均在CPU 温度可接受的范围内，但综合考虑散热效果与经济性因素，流体入口温度设置为20℃更为合理[5]。
改变CPU水冷散热器结构，将入口与出口管道设置在同侧，20℃时温度云图如图6，与进出口对角时的分布图5对比，其高温区更大。计算两平面温度的面积加权平均值、最大值、最小值如表 2，进出口同侧时最高温度比对角时低0.05℃，但面积加权平均温度高 1℃。综合云图及数据对比结果，对角结构散热效果更好。
图6 进出口同侧底面温度云图
表2 两结构底面温度参数对比
2.2 流体入口流速对换热性能的影响
保持其他条件不变，探究流体入口流速对换热性能的影响时，设置冷流体入口流速分别为3m/s、5m/s、7m/s，获得温度云图如图7、8、9。由云图可知，流速从低到高变化时，高温区逐渐减小并向出口管道所在角移动，低温区逐渐增大。原因在于，增大流速加强了流体与底面的强制对流传热，使换热更充分。
图7 3m/s底面温度云图
图8 5m/s底面温度云图
图9 7m/s底面温度云图
利用曲线图定量分析温度变化情况，得到曲线图如图9。随流速增加，各温度值都在降低，但降低速度逐渐减缓。流速从3m/s增加到5m/s的过程中，散热效果明显加强；但从5m/s 增加到 7m/s 的过程中，散热效果加强不明显，获取的效益不及流速增加所需泵功[6]。且更高的流速在加强对流传热的同时，也会增加流体的能量耗散及其对壁面的作用力，会在一定程度上缩减CPU散热器的使用寿命。综合考虑以上因素，将流体速度设置在5m/s左右最经济。
2.3 结构优化
使用 GAMBIT 在散热性能较好的对角结构基础上增加两个导流板如图8，重新划分网格并进行网格无关性检验。
导入 FLUENT19.0 进行计算，为控制变量，边界条件设置与上文一致，获得底面温度云图如图 9，与不加导流板时的云图图 10 对比，高温区非但没有减小，反而扩大，集中分布在壁面的部分边缘及角落。原因在于增加流体流动距离之后，原有的 5m/s 流速已不再适合此结构，过慢的流速导致流体充分换热后仍未排出，阻碍了后半段对 CPU 的散热。因此加装导流板后，应增加冷却液的流速。
图10 增加导流板后底面温度云图
图11 增加导流板前底面温度云图
将流速增加到7m/s后，如图12高温区域明显缩小。再对加装导流板前后的数据进行定量分析，获得如图 17 的曲线。
图12 增加导流板且增加流速后底面温度云图
曲线所示，温度的底面面积加权平均值、底面最小值、出口面积加权平均值都十分接近，但增加导流板后，底面的最大温度获得了明显降低，且流速越大，改善效果越明显。因此，加装导流板结构能够使CPU液冷散热器的性能得到优化。
03结论
本文采用ANSYS FLUENT 对 CPU 芯片液冷散热器进行数值模拟，得出以下结论：
（1）降低制冷液温度和增加制冷液流速均可提升散热器的散热效果，但综合考虑经济、使用寿命等因素，制冷液最经济的配置为20℃，5m/s；
（2）对角结构的散热器散热效果优于同侧结构；
（3）在散热器内增加导流板后将制冷液流速提升至7m/s可获得更好的散热效果，明显降低CPU的局部最高温度。
