基于Flotherm分析的机柜热设计及仿真研究

来源：科学与技术    作者：于乐      
关键字：CFD  散热模拟  Flotherm  机柜热设计  

基于机柜内部的散热模块主要的CFD模拟仿真系统的散热系统软件Flotherm进行散热，分析实验表明Flotherm热能耗散的软件平台的对比仿真实验系统的更详细的代码，而且直觉地加以衡量，实验室根据耗散模型的速度和正确的温度场，建立耗散结构，进行最佳的跟踪设计。

    随着电子元件的热密度增加，对散热的需求增加，散热的设计变得越来越困难和昂贵。由于各种功率元件的存在而散热的系统，主板模块的散热的传统设计是以实验设计和验证的经验方法为基础的，但是这些方法有很大的缺陷，有很大的循环设计耗时长，设计成本高。CFD热分析软件是Flotherm软件的代表之一，主要根据控制计算。

一、概述

    标准设备名称标准柜，是空间站住宅与实验的一个重要模块单元。它主要提供标准接口与有效载荷设备的能量源之间的机械、电气和热测试项目。有助于对操作、信息管理和控制站的环境温度进行统一管理，并确保设备的良好操作和可靠性。标准柜大小的全球平面图。空气流动场和对流热交换器的分析和设计是柜内强迫通风热控制的关键研究之一，最常用的研究是氟氯化碳的数值模拟。其还涉及一种合理的输出布局。在标准箱中，热控制系统的主要设计研究包括确定进气和空气的结构，选择一个合理的进气温度，电子牌照模块化系统，其基础是各种模拟电子元件，主要是多管、散热器、风扇和空气管道，其芯片卡和处理器的主要散热能力：散热模块在模拟Dianzigui散热器的散热和冷却模型之前，对Dianzigui散热器的散热模块系统进行热测试，重点放在实际操作温度上。通过实际物理模型的三维建模和CFD散热系统的建模来合理地确定。对临界点温度进行监测，并将其与试验数据进行比较，核实模型的准确性。确定是否符合机柜设计要求，这可作为设计机柜热控制系统的基础。

二、实验测试

    1、实验方法。取测温点：在常温状态运行主板模块拷机程序，待半小时温度稳定后，使用红外线测温仪对主板模块各发热点进行测温，选取温度略高的点作为测试点，具体测温点见图。

 

图1 具体测温点

    选定点与32通道温度传感器探针连接，并将样品放置在试验容器内，试验容器的温度固定在25个优点上，并在稳定容器温度之前运行一小时。测试数据记录在案，测试容器的温度定为35个优点、45个优点和55个优点，以便记录每个温度点的测试数据。实验结果显示，根据温度数据，芯片卡散热器附近的温度较高。模拟应侧重于在芯片卡散热器处的温度监测。但中央单元的温度是影响该系统在散热系统中正常运行的重要因素之一，而且中央单元的散热模拟也需要特别注意。

    2、建模过程：（1）主板3D建模。为了比较实际模型，当ProE 5.0软件将实际模型模拟为3D并根据CFD模拟将栅格分割为CFD模拟时，必须对子部件的栅格进行精细。特别是亚组分.主板的主要散热元件是CPU元件和指针卡，不能简化.主板上方的大型元件影响散热速度场、建模其它小型器件具有低散热，对速度场影响小，忽略简化或从3D模型中除去小器件。主要的ORME没有对热量产生影响，模型没有被考虑在内，并从3D模型中删除。

    （2）主板CFD散热建模。将ProE 5.0中初选的单风道系统和双风道系统结构模型导入Flotherm前置建模软件FloMCAD进行散热系统建模；在FloMCAD中将Proe5.0建立的单风道系统和双风道系统结构模型进行转换成Flotherm能识别处理的散热系统模型，并进行网格划分，转换模型如图。

 

图2 转换模型

    （3）仿真结果。核心散热主板系统仿真分四次仿真，分别为环境温度25益、35益、45益、55益时的仿真。核心散热主板系统仿真在环境温度25益时仿真结果速度分布图和流动场，核心散热主板系统仿真在不同环境温度下时监视显卡核心温度和CPU核心温度，实验数据结果如表所示。

表1 实验数据结果

 

根据试验结果，模拟结果可以更容易地显示主板各部分的速度和温度的比分布。在CUP和显卡核心温度与实验温度的对比以及模拟结果与实验结果数据比较可以看出，模拟结果更接近实验结果，并且随后的处理可以减少模拟错误。

    3、机柜热控制系统设计。出入口壁橱布局的变化主要影响壁橱之间的气流分布，从而影响壁橱的通风和传热特性。为了研究进气口并提供模拟结果，提供了进气口和出气口，在微重力下的空气流量为6m3/天，以及在机舱通风的机架内传热的带宽。对于标准机柜采用集中式通风传热系统强迫热控制系统，可遵循以下步骤设计：驾驶室热调节系统的设计使用了标准：(1)定义了横向模式的输入/输出，但一经输入/输出位置；2)在管道和前面板之间保持一定的距离，使末端的抽屉被气流扫过，(3)空气80ram，8m3/rain、通风、空气、温度低于25℃。

    改变机柜进出口布置方式主要影响气体的流场分布，进而影响到抽屉的通风换热性能。为了研究机柜内进出风口布置方式的影响，模拟进出风口布置方式下，微重力6m3/rain进风流量，80mm通风条件下机柜内通风换热情况。采取集中式强迫通风换热方案的抽屉式标准机柜，其热控制系统可采取如下的设计步骤：(1)根据风换热和整体布局方案，结合不同进出风口布置方式换热特性，确定机柜内风道气流走向和进出口布置方案；(2)根据发热情况、温度设计要求和机柜压降设计要求，确定合理的进风量、风道通风孔宽度和进风温度等。按照机柜热控系统的设计：(1)确定了侧进下出的进出口布置方案，但对出风口位置进行了修改；(2)风道与前面板间保留一定的空隙，以便使两端抽屉最外侧能受到气流的冲刷；(3)风道通风孔宽度取80ram，进风流量取8m3/rain，进风温度低于25℃。

三、结语

    综合实验研究的散热和模拟研究对散热用CFD结果可以得出下列结论：模拟和实验结果相比是相当接近，至于温度分布和温度的值，从而为分析和设计提供了基础；温度可以看出，主要热点位于上方的显卡芯片，而热耗散的优化应该主要通过加强芯片的热耗散的显卡，可以进一步改进改善空气管路布置；设计处理器的芯片的热耗散结构相对合理，且如热力管的正常运行，该处理器的芯片散热良好的散热，从而保持最初的设计为散热良好的散热性能。

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