笔记本电脑散热优化数值模拟
笔记本电脑散热优化数值模拟
作者：贾奕骆骅邓招义王洪远赵举浪
来源：《科技视界》2019年第19期
【摘要】通过以市面上某型号的笔记本电脑为研究对象，分析其散热器。
提出通过改变散热翅片形状来提升笔记本电脑散热能力的优化方案，使用fluent数值模拟进行验证。
验证表明所设计的散热翅片相较于原模型的散热翅片有更好的散热能力，且节省制作翅片的材料。
【关键词】笔记本电脑;fluent;翅片
中图分类号： TP368.32 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）19-0007-003
DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.19.003
0 前言
当今社会，笔记本电脑已经普遍地被人们在生活中使用，成为人们学习、办公及娱乐必不可少的电子设备。
笔记本电脑内部结构复杂，电子元件极多，自身体积较小，使CPU、显卡和北桥（NB）等部件产生的热量比较集中。
笔记本电脑散热不良的问题会导致CPU的自动降频，电脑运行处理能力大幅下降，硬盘的数据传输能力也会受到很大的影响。
散热同样也需要消耗电能，所以散热不良也会间接地减短笔记本电脑的续航时间。
1 笔记本电脑散热原理
该型号的笔记本电脑采用热管与离心风扇结合的强迫风冷散热方式进行散热。
所配置的处理器（CPU）为英特尔corei5 M430，散热设计功耗为35W。
显卡型号为Nvidia Gefore
9200MGS，散热设计功耗为12W。
如图所示，CPU与显卡为热源，所产生的热量通过连接材料传递至热管。
热管的蒸发端吸收来自显卡和CPU的热量，冷凝端释放热量至翅片组。
当蒸发端吸收了热量以后，毛细管中的工质从液体蒸发为气体，蒸发的气体在压力差下流向冷凝端，并且发生液化，将热量传递至翅片组，液体流回蒸发端。
就这样通过工质周而复始的相变来传递热量。
当热量传递至翅片组中后，由离心风扇产生的气流与翅片组进行对流换热，从而将热量带出笔记本电脑内部。
三种翅片都是以上端为始端，下端为终端。
矩形翅片的横截面为一矩形，三角形翅片的横截面为三角形，液滴形翅片的横截面为一组合形状，始端为一半圆，连接半圆的下部分为三角形。
三种翅片的长、宽、厚都是相同的，翅片组的翅片数和翅片之间的间距也相同。
矩形翅片为样机翅片的形状，三角形翅片和液滴形翅片为设计的翅片形状。
3 Fluent数值模拟
首先進行几何模型的建立。
通过对样机散热器进行数据采集得到样机散热器的实际几何尺寸。
其中主要的参数为翅片的长、宽、厚、翅片之间的间距以及翅片组中的翅片数量。
翅片的参数如下表1所示。
表1 翅片参数
通过SolidWorks软件进行几何模型的建立。
再对散热器的散热结构进行分析后制作出了散热器的热阻网络图，如图10所示。
图10 散热器的热阻网络图
传热方式皆为热传导，最终计算出翅片温度为70.3℃，模拟的入口风温为25℃，湍流度为5.7%。
网格的划分软件采用ICEM。
其中最主要的翅片部分的网格如图11所示。
将网格文件导入Fluent进行计算。
使用Fluent软件对三个模型的网格进行计算，通过计算可以得到空气流过翅片组的温度场和速度场等参数，从而分析不同模型翅片组的散热能力强弱。
其中设置模型的边界条件，进口条件设置进口模型为Velocity-inlet，进口温度为298k，入口风速为7m/s，湍流度为6%;出口条件设置出口模型为Outflow;翅片边界条件设置翅片模型为Wall型，视翅片组为内热源，Temperature设置为343.3K。
最终得到的计算云图如图（11-17）所示。
通过温度云图和速度云图可以明确地看到，在温度云图中，翅片组作为热源，当冷却气流流过翅片组以后，气流温度升高，随着气流流动距离的增加，气流温度又慢慢地降低;速度云图中，翅片组作为一个静止的物体，当冷却气流流过翅片组以后，速度有一个明显的降低。
三个模型的温度云图和速度云图都很相似，具体差异在于具体某一点的值发生了变化。
4 结果分析
对模型进行散热能力分析。
取100s为一个时间，计算在该时间段里，空气共带走的热量。
计算结果如图18所示。
模型2在时长为100s通过冷却风带走的热量相较于模型1带走的热量提高了22.42%;模型3相较于模型1冷却风带走的热量提高了24.77%;模型3相较于模型2冷却风带走的热量提高了1.92%。
冷却风所获得的热量来自于翅片组，因而模型2、模型3的冷却风带走的热量多于模型1中冷却风带走的热量，即模型2、模型3的散热效果要优于模型1。
但模型2和模型3两者的散热量相差不大。
当模型1的笔记本电脑不能很好地满足散热要求时，模型2和模型3的翅片组有一定的能力增强模型1的散热能力。
对制作散热翅片用料的多少进行分析。
模型1、模型2、模型3，三种翅片的形状发生了很大的变化，故其体积、质量也发生了相应的变化。
翅片的材料为铜，以45片翅片为一组，以几何尺寸为基础计算各种翅片的体积V，从而计算翅片的质量。
计算结果如图19所示。
由图可知，模型1的翅片组的质量最大，模型1翅片组的质量相较于模型2翅片组的质量增加了100%;模型1翅片组的质量相较于模型3翅片组的质量增加了98.97%;模型3翅片组的质量相较于模型2翅片组的质量增加了0.519%。
同样，模型2、模型3两者翅片组的质量还是相差无几，而两者翅片组的质量与模型1翅片组的质量相比却减少了很多。
通常，笔记本电脑的翅片材料选择都为铝或者铜，铜的导热性能要优于铝，但厂家一般为了节约成本，通常选择铝作为翅片的加工材料。
而该型号的笔记本电脑的翅片材质选择了铜，若将模型1中的翅片形状改为模型2、模型3中的翅片形状，将会节省很大一部分的材料，降低笔记本电脑的生产成本。
对于用铜和铝两种材质制作的翅片的散热器，模型2和模型3都能体现其节省材料，降低生产成本的优点。
5 结论
以市场上某型号的笔记本电脑为基础，对其散热器进行分析，并提出相应的优化措施。
使用SolidWorks、ICEMCFD、fluent等软件进行数值模拟。
分析计算结果后得到以下结论：
（1）两种设计的翅片的散热能力提升幅度的变化与入口风速有关，且成正相关。
以入口风速为7m/s进行分析，三角形翅片的模型2和液滴形翅片的模型3的散热能力相较于模型1的散热能力提高了22.4%至24.77%，模型3相较于模型2提高了1.92%。
（2）模型1的翅片与模型2、模型3翅片的几何尺寸相同的情况下，制作模型1翅片要比制作模型2、模型3翅片的用料多出98.97%至100%。
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某型号笔记本计算机散热分析
某型号笔记本计算机散热分析宋印东;姚寿广;陈静【摘要】Because of high heat flux and high temperature in notebook computers, a numerical simulation is made by k-e two equation model. The temperature distribution in the CPU and display card and velocity distribu- -tion of CPU and display card's fans are obtained- Velocity and temperature fields are also measured by velocity and temperature sensors. Distance adjustment between CPU and display card, parameter adjustment of fans and addition of a heat pipe are made to improve heat distribution according to the fields. By the analysis, increasing fan flow and addition of a heat pipe can effectively hasten heat dissipation of the notebook computer.%针对笔记本计算机热流密度大,温度较高的难题,利用k-ε双方程模型对其温度场和速度场进行数值模拟.同时对其温度场和速度场进行了实验测量.通过数值模拟和实验得出了笔记本计算机CPU和显卡的温度和风扇的速度分布.针对温度和速度场的特点,调整CPU与显卡的距离、改变风扇参数和增设热管三项措施来改进原机的散热设计.结果表明:增大风扇流量,增设热管都能有效增强笔记本计算机的散热能力.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)004【总页数】5页(P361-365)【关键词】数值模拟;笔记本散热;k-ε双方程模型【作者】宋印东;姚寿广;陈静【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】TK121笔记本计算机散热关系到其电子设备的可靠性和寿命，是影响其发展的一个瓶颈.伴随着笔记本计算机高性能、微型化、集成化的三大发展趋势，散热问题越来越突出.目前，很多CPU的功耗已经高于100 W/cm2，其他元件的功耗也越来越高，这些消耗掉的能量最后都转化为热量散发出来，从而使原件温度升高.而电子器件正常的工作温度范围为-5～65℃，最大允许工作温度100～120℃，过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力损伤.有研究表明，单个电子元件的工作温度如果升高10℃，其可靠性则会减少50%;而CPU失效问题的55%都是由于温度超过规定值而引起［1］.目前笔记本计算机散热一般采用强迫风冷、空气冷板(加散热片的强迫风冷)、强制电子制冷、蒸发相变冷却等方式.对于笔记本计算机散热研究大多停留在综述说明与定性分析，很少有定量分析的相关报道.而定量分析笔记本计算机的散热机理，分析影响其散热的关键因素，可以设计出更好的散热方案，可以最大限度地降低笔记本计算机的温度，从而提高其运行的稳定性和使用寿命［2-5］.文中对某型号笔记本计算机流场和温度场进行了实验测量，并利用k-ε双方程模型定量计算并分析了笔记本计算机的散热规律.1 实验测量针对某型号笔记本计算机进行了温度和速度的测量.笔记本计算机发热量最大、温度最高的元件是CPU和显卡.文中在CPU表面和显卡表面采用贴片式热敏电阻测量其表面温度;在CPU和显卡风扇中心轴线上方5mm处采用热线风速仪测量速度.测量时环境温度为20℃;计算机进行稳定的数值计算，认为计算机处于全负荷、稳定工况.2 笔记本计算机计算模型2.1 物理模型笔记本计算机体积小、内部结构复杂，为了模拟出比较精确的结果，首先应建立合适的物理模型.笔记本计算机中最大的发热元件是CPU，其次是显卡，此外，硬盘、光驱、内存和电源的耗功也较大，其他部件的发热量很小.因此模型中只建立了CPU、显卡、硬盘、光驱、内存、电源等发热量大的零部件，省去其他部件.物理模型如图1.图1 笔记本计算机的物理模型Fig.1 Geometric model of the notebook computer2.2 数学模型笔记本计算机内装设CPU风扇、显卡风扇、系统散排风风扇，扰动较大，因此可以认为内部的气流流动为湍流.文中采用k-ε双方程模型进行数值模拟.控制方程和湍流模型如下［6］.不可压缩流体的连续性方程:RANS方程:2.3 网格的划分根据简化过的物理模型，建立了笔记本计算机的几何模型(图1).根据几何模型建立了六面体网格，并对CPU、显卡、电源等速度梯度和温度梯度较大的部件进行了网格局部加密(图2).图2 笔记本计算机的网格Fig.2 Mesh of the notebook computer2.4 边界条件的设置文中模拟笔记本计算机全负荷、稳定工况时散热情况.环境温度设置为20℃.全负荷时笔记本计算机中各部件发热功率如表1，各元件传热系数如表2，各通风口的损失系数如表3.表1 各部件发热功率Table 1 Powers of components?表2 各元件传热系数Table 2 Heat transfer coefficients of components?双方程k-ε湍流模型，其k和ε的输运方程为表3 各通风口的损失系数Table 3 Loss coefficients of vents?3 笔记本计算机温度场分析3.1 计算机整体温度场分析通过数值计算，得到了全负荷、稳定工况时笔记本计算机温度场和速度场的信息. 图3是整个计算机的温度场，由图可知，CPU最高温度为84℃，显卡最高温度为55℃.系统散热器温度为52℃.硬盘、光驱、内存、电源温度为30℃左右.整个计算机的温度是以CPU和显卡为中心，逐渐扩散降低.因此，CPU和显卡是计算机中2个发热量最大、温度最高的元件，整个计算机的散热围绕两者进行.图3 整机的温度场Fig.3 Temperature field of the notebook computer3.2 CPU和显卡温度场分析图4是CPU放大后的温度场.由图4可知，CPU最高温度达84℃，而风扇周围的温度只有40℃左右，说明CPU的大部分热量未能及时散出，从而导致CPU温度较高，而较高的CPU温度会影响其工作的稳定性和寿命.图4 CPU的温度场Fig.4 Temperature field of the CPU图5是显卡放大后的温度场，由图5可知，显卡中心位置的温度为55℃，显卡周围的温度略低于50℃，说明显卡的散热情况较好.图5 显卡的温度场Fig.5 Temperature field of the display card4 笔记本计算机速度场分析图6为整机在X-Z方向的速度场，CPU附近的风速最大，其次是系统散热器，然后是显卡.图6 整机的速度场Fig.6 Velocity field of the notebook computer图7显示CPU附近最大的风速将近10 m/s.空气从温度高的风扇中心上升，一部分从通风口流出计算机，另一部分流向系统排风扇排出计算机.图7 CPU的速度场Fig.7 Velocity field of the CPU由于显卡风扇流量和压降都较小，图8显示显卡周围的空气流速比较小，只有5m/s左右.风扇先把热风从显卡中心吸起来然后向四周排出，其中一部分从风扇上的通风口排出计算机，另一部分在其较远处下降，形成了一股明显的漩涡.图8 显卡的速度场Fig.8 Velocity field of the display card表4中模拟值为计算机在全负荷时的计算结果.模拟计算结果和实验符合较好，最大误差为5.3%，在工程所允许的范围之内.同时说明文中对物理模型的简化、计算模型的选取、网格的划分以及边界条件的处理方案合理可靠.表4 实验结果和计算结果比较Table 4 Comparison of experimental and computational results上方速度/(m·s-1项目表面温度)显卡/% 2.3 5.2 5.34.2/℃CPU CPU 86 58 9.5 4.8模拟值 84 55 10 5误差显卡实验值通过对温度场和速度场分析得出CPU是整个计算机中最大的发热元件，其次是显卡，它们的温度都很高.CPU和显卡主要通过风扇强迫对流散热.风扇散热简单实用，且价格低廉，但冷却效率低，最多只能排出CPU废热的60%、噪声也较大;且风扇是运动部件，比较容易损坏［1，7］.5 笔记本计算机散热的优化设计由以上分析知CPU和显卡是笔记本计算机中最大的2个发热元件，它们的散热是整个计算机散热的关键.文中通过改变CPU和显卡之间的相对距离以及改变风扇和增设热管，以增强计算机的散热.散热优化设计尚未考虑笔记本计算机的电子设计［5，8］.5.1 改变CPU和显卡的相对位置改变显卡和CPU之间的相对距离，避免热量集中.将显卡和CPU的相对位置比样机分别缩小20，10，0mm;增大 10，20mm，得到计算机的 CPU和显卡的温度场(图9，10).这说明加大CPU与显卡之间位置能分别降低其最高温度.CPU和显卡都是功率较大的元件，增加两者的距离显然可以加强各自的散热能力.图9 CPU最高温度随CPU与显卡距离变化Fig.9 Variation of Tmax(CPU)with L of CPU and display card图10 显卡最高温度随CPU与显卡距离变化Fig.10 Variation of Tmax(display card)with L of CPU and display card5.2 改变风扇参数改变CPU风扇的特性参数.风扇的体积流量分别为 0.01，0.015，0.02，0.025，0.03 m3/s.分别得到CPU和显卡的温度场.经过分析得到(图11，12).CPU和显卡的最高温度随各自的风扇流量增大而显著降低.图11 CPU最高温度随风扇流量变化Fig.11 Variation of Tmax(CPU)with flow of fan图12 显卡最高温度随风扇流量变化Fig.12 Variation of Tmax(displaycard)with flow of fan5.3 CPU增加一根热管根据以上分析可知，导热和对流的散热手段是很难解决高功率的笔记本电脑发热问题的，必须综合使用强迫对流与相变蓄热等方法，才能达到良好的散热效果.热管是以相变来强化换热的技术，其利用封闭在真空管内的工作物质，反复进行沸腾或凝结来传送热量.热管的优势在于其优良的导热性和等温性，热响应速度快，质量轻且结构简单.此外热管没有运动部件，运行可靠［9］.CPU的发热量最大，所以需要加强CPU的散热，因此在CPU上增设一根丙酮热管，其传热系数为3 000W/(m·K).得到如图13，14温度场.图13 增设热管后整机温度场Fig.13 Temperature field of notebook computer after add heat pipe图14 增设热管后CPU的温度场Fig.14 Temperature field of CPU after add heat pipe由图中可以看到整机温度显著下降，CPU的最高温度下降为70℃，下降了15%，这对提高CPU及整机的性能和稳定性有很大帮助.6 结论1)CPU和显卡之间的相对距离对笔记本计算机的散热影响不大;风扇流量、是否加装热管是影响笔记本计算机散热的关键因素.2)增加风扇的流量可以提高笔记本计算机的散热效率，降低CPU和显卡的温度.3)增设热管可以极大地提高笔记本计算机的散热效率，有效降低CPU的温度.对提高整机的稳定性、性能和寿命有很大的帮助.参考文献(References)［1］高翔，凌惠琴，李明，等.CPU散热技术的最新研究进展［J］.上海交通大学学报，2007(4):48-53.Gao Xiang，Ling Huiqin，Li Ming，et al.Recent advance in cooling techniques for CPU［J］.Journal of Shanghai JiaotongUniversity，2007(4):48-53.(in Chinese)［2］Chu R C，Simons R E，Ellsworth M J，et al.Review of cooling technologies for computer products ［J］.IEEETrans on Device and Materials Reliability，2004，4(4):568-585.［3］Mongia R，Masahiro K，Distefano E，et al.Small scale refrigeration system for electronics cooling with in a notebook computer［C］∥ The Tenth Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics System.ITHERM，2006:751-758.［4］刘一兵，黄新民，刘安宁.基于电子散热新技术的研究［J］. 制冷技术，2010(3):54-57.Liu Yibing，Huang Xinmin，Liu Anning.Research based on new heat release technology of electron［J］.Refrigeration，2010(3):54-57.(in 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台式电脑机箱散热的数值模拟及优化的开题报告
台式电脑机箱散热的数值模拟及优化的开题报告一、研究背景随着计算机技术的不断发展，计算机硬件性能越来越强大，计算机的散热问题也越来越突出。
散热不良会导致计算机在长时间运行中产生热损伤，影响计算机工作稳定性，甚至会导致硬件故障。
因此，在计算机硬件设计中，散热问题是一项重要的设计考虑因素。
其中，机箱散热是影响计算机整体散热效果的一个关键因素。
因此，如何优化机箱散热成为一个热点问题。
在机箱散热设计中，数值模拟技术可以帮助工程师更快、更准确地评估和优化热设计方案，并降低研发成本。
二、研究目的本文旨在研究台式电脑机箱散热的数值模拟及优化，主要研究以下几个方面：1.分析机箱散热的工作原理和主要热传输方式，了解机箱散热问题的本质和特点；2.建立机箱散热的数值模型，并选取适合模型的数值模拟软件，进行模拟计算；3.对不同的机箱散热设计方案进行模拟，并对模拟结果进行比较分析，评估散热方案的优劣；4.根据模拟结果，提出机箱散热优化方案，降低机箱内温度，提高整体散热效果。
三、研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：1.机箱散热的工作原理和主要热传输方式分析；2.数值模拟软件的选择和模型建立，包括CFD软件的选择、网格划分和边界条件的设定；3.机箱散热的数值模拟及结果分析，包括设计方案的不同，如风扇数量、位置、面积等参数的变化对机箱内温度的影响；4.对机箱散热优化方案的提出，包括优化方案的设计思路、实现方法和优化效果的评估。
四、研究方法本文的研究方法主要包括：1.文献综述法：对机箱散热的现有研究成果和最新技术进行综述分析，了解机箱散热问题的发展状况和研究趋势；2.数值模拟法：建立机箱散热的数值模型，并选取适合模型的CFD 软件进行模拟计算；3.实验验证法：针对模拟结果，设计实验方案，采集测试数据，验证模拟结果的准确性和可行性；4.数学统计法：通过对模拟结果和实验数据的分析，采用数学统计方法，得出结论，提出机箱散热的优化方案。
某型号笔记本计算机散热分析
ａｄｔｍ ｅａ ｒ ｓｎｏｓ ｉ ａｃ ｄｕｔ ｎ ｅ ｅｎＣ Ｕ ａ ｄｄｓｌ ａｄ ｐ ｒ ｔｒ ｄｕｔ ｎ ｆａ ｓａｄ ｎ ｐ ｒｔ ｅ ｅ ｓｒ．Ｄ ｓ ｎ ｅａｊｓ ｅ ｕ ｔ ｍｅｔ ｔ ｅ Ｐ ｎ ｉ ａ ｃｒ ， ａａ ｅ ｊｓ ｂｗ ｐｙ ｍｅ ａ ｍｅｔ ｎ ｎ ｏｆ
第２ ６卷 第 ４期
２１ ０ ２年 ８月
江苏科 技 大学学 报 （自然科 学 版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｉ ｇｕＵ ｉ ｒｔ ｆ ｃ ｎｅａ ｄＴ ｃｎｌｇ（ ａ ｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏｒａ ｏ ａ ｓ ｎｖ ｓｙｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔｎ Ｊｎ ｅｉ Ｓｅ ｕ ｅ ｉ
Ｓｎ ｎｏ ｇ ｏ ｇＹｉｄ ｎ ，Ｙａ ｈ ｕ ｕ ｎ ，Ｃ ｅ ｉｇ ｏ Ｓ ｏ ｇ ａ ｇ ｈ ｎＪｎ
（ ｃｏｌ ｆＥ ｅｇ ｎ ｏ ｅ ｎ ｉ ｅ ｎ ，Ｊ ｎ ｓ ｎｖｒｔ ｆ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｈｎｉｎ ｉ ｇｕ２ ２ ０ ，Ｃ ｉａ Ｓ ｈｏ ｏ ｎｒｙａｄＰ ｗ ｒＥ ｇ ｅｒ ｇ ｉ ｇｕＵ ｉｅ ｉ ｏ ｉ ｅａ ｄＴ ｃｎｌｇ ，Ｚ ｅｊ ｇＪａ ｓ １０ ３ ｈｎ ） ｎ ｉ ａ ｓｙ Ｓ ｎ ａ ｎ
其温度场 和速度场进行 了实验测量． 过数值模 拟和实验得 出了笔记本计算 机 Ｃ Ｕ和 显卡 的温度和风扇的速度分布． 对 通 Ｐ 针 温度 和速度场 的特点 ， 调整 Ｃ Ｕ与显卡 的距离 、 Ｐ 改变风扇参 数和增设 热管三项 措施 来改进原机的散热设计 ． 结果表明 ： 增大 风扇 流量 ， 增设 热管都能有效 增强笔记 本计 算机的散 热能力． 关键 词 ： 数值模拟 ； 笔记本散热 ； － ｋｅ双方程模 型
相关报 道 ． 而定 量分 析 笔 记 本计 算因素 ， 以设计 出更好 的散 可
笔记本电脑热布局的优化设计
摘要：本文从不同角度提出了笔记本电脑的热布局优化设计方案。
在介绍了热电模拟理论的基础上，对电脑中主要模块的散热问题和各个模块的散热进行了热阻模拟。
同时，用热阻网络构建了笔记本电脑各主要模块间散热的热阻模型。
通过对笔记本电脑和外界之间的热阻路径的分配，实现笔记本电脑中各个模块和外界温差最小，从而使得各个模块散发的热量能够尽快地通过最小的热阻路径散发到外界。
论文关键词：热布局,热电模拟,热阻路径,遗传算法怎样消除电子设备产生的热量越来越成为电子设计不可忽视的问题，从而引发了对电子设备散热的大量研究，近些年来也提出了一些有效的热布局模型。
基于热传导模拟机制，提出了一种强制风冷布局算法[1]，不足的是它没有将热传递考虑进去。
Deb K. 和其他一些学者提出了印刷电路板上电子元器件的散热优化布局模型，并采用进化算法解决电子元器件的多目标布局问题[2]。
此外，还提出了其他一些布局模型[3], [4], [5]。
但是，这些模型应用于优化印刷电路板或芯片组是有一定的局限性。
在本文中，建立了一个关于热传递的模型来解决优化问题，它既适用于印刷电路板级也适用于整个系统级。
该模型要涉及一些实验值，如热阻值和热传导系数。
这种方法通过全局优化算法，解决了电子设备的最优热阻分配问题，从而可以找到一条最优的散热路径。
1.1 热电模拟基础理论电子功率元器件所产生的热，通过热传导扩散到周围环境中。
热传导过程可以通过公式推导出来，其中，为热传导系数，为传导面积，为绝对温度。
假设一块无限长的金属平板, 它的热传导公式可以写为。
从公式可以看出，热流量与热阻值成反比，而与温差成正比。
为板子的宽度。
在电子领域欧姆定律是众所周知的，表示为，为电流(单位A)，为电位差(单位V)，为阻值(单位)。
考虑到热传递和电荷转移在数学上的相似性，可用一个等效电势网络来解决复杂的热传导问题。
表1 热电模拟Tab.1 Thermo-electric analogy热领域电子领域: 热阻: 电阻: 热流量: 电流: 温差: 电势差这些变量的对应关系就成为热电模拟。
散热模拟分析报告
散热模拟分析报告引言散热是电子设备设计中一个重要的问题，有效的散热设计可以提高设备的性能并延长使用寿命。
为了进行散热设计的优化，我们必须对设备的散热性能进行模拟分析。
本报告旨在针对某个特定的设备进行散热模拟分析，并提供相关的结果和建议。
设备描述在本次散热模拟分析中，我们选择了一台高性能计算机。
该计算机具有以下主要组件： - 中央处理器（CPU） - 显卡（GPU） - 内存（RAM） - 硬盘 - 散热器 - 风扇模拟方法为了模拟设备的散热性能，我们使用了计算流体力学（CFD）方法，该方法是一种广泛应用于工程领域的模拟方法。
通过利用CFD软件，我们可以对设备的散热性能进行全面的分析。
模拟结果我们对设备的散热性能进行了多重模拟实验，并得到了以下结果。
温度分布通过模拟实验，我们得到了设备表面的温度分布图。
根据温度分布图，我们可以确定设备的热点位置。
热点位置通常是设备最容易产生过热的区域，需要采取相应的散热措施。
散热器效能我们还模拟了不同散热器效能的情况下，设备的散热性能。
通过对比不同散热器效能下设备的温度分布，我们可以评估散热器的效果并选择最适合设备的散热器。
风扇转速另外，我们还研究了风扇的转速对设备散热性能的影响。
通过模拟实验，我们得到了不同风扇转速下的设备温度分布，并确定了最佳的风扇转速。
结果分析根据我们的模拟结果，我们得出了以下结论。
设备热点位置通过温度分布图，我们确定了设备的热点位置为CPU和GPU。
在设计散热方案时，我们应重点考虑这两个部件的散热需求。
散热器效能模拟实验表明，散热器的效能对设备的散热性能有明显的影响。
选择高效的散热器可以降低设备的温度，提高性能和稳定性。
风扇转速风扇的转速也对设备的散热性能起重要作用。
通过调整风扇转速，我们可以控制设备的温度，并保持在合理的范围内。
建议根据我们的分析结果，我们提出以下建议：1.选择高效的散热器：在设计散热方案时，应优先选择高效的散热器，以提高设备的散热性能。
ICEPAK笔记本电脑散热模拟
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,,, ，(,u),Sim,t,xi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。
源项是稀Sm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:,,,v,,，(u)，(v)，,S ,,m,t,x,rr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:,,,,,pij (,u)，(,uu),,，，,g，Fiijii,t,x,x,cjij，，,,,u,u,u2jil,,,，,,,,,,式中，p是静压;是应力张量，定义为: ，,g，,,ijijiji,,,x,x3,x,,jil,,，，FF是重力体积力和其它体积力(如源于两相之间的作用)，还可以包括其它模ii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:,1,1,,p(u)，(ruu)，(rvu),,,,, ,tr,xr,r,x，,，1,,u2,,，r2,(,,v), ,,,,r,x,x3,,，，，，,,u,v1,,，r,，，F ,,x,,r,r,r,x,,，，和,1,1,,p(v)，(ruv)，(rvv),, ,,,,tr,xr,r,r，，,,v,u1,, ，r，,,,,,r,x,x,r,,，，，,，1,,v2,, ，r2,(,,v),,,,,r,r,x3,,，，2,v2,w ,2,，(,,v)，,，Fr23rrrw是旋流速度。
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m i iS u x t =∂∂+∂∂)(ρρ 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m 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：m S rv v r u x t =+∂∂+∂∂+∂∂ρρρρ)()( 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：i i jij i j i j i F g c x p u u x u t ++∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂ρτρρ)()( 式中，p 是静压；ij τ是应力张量，定义为：ijl l i j j i ij x u x u x u δμμτ∂∂-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=32 ，i g ρ，i F 是重力体积力和其它体积力（如源于两相之间的作用），i F 还可以包括其它模型源项或者用户自定义源项。
笔记本电脑散热器数值模拟及设计优化
Ｖ＿ ０ １ ． ３ ７ ＮＯ ． １
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ４
笔记本 电脑散 热器数值模 拟及设计优化
陆声琰 ， 冯亮花 ， 纪 祥， 桑泉巍
１ １ ４ ０ ５ １ ） （ 辽 宁科技 大学 材料 与冶金 学院 ， 辽宁 鞍山
摘 要 ： 笔记本电脑的有效散热是其安全运行的前提 ， 随着笔记本电脑Ｃ Ｐ Ｕ功耗的增大及笔记本电脑小型化
（ １ ） 人 口边界 。模型的左端为空气人 口， 为 了解不同尺寸下 的阻力损失 ， 故将入 口设置为压力入 口，
对 于不 同工况 设置 不 同的人 口压 力 。入 口温度 为 ２ ７ ｏ Ｃ（ ３ ０ ０ Ｋ） 。 （ ２ ）出 口边 界 。空气 出 口为大气 环境 ， 故将 出 口设 置为 压力 出 口， 出 口压力 为环 境压 力 。
到ｌ ５ ｍ ｍ可以有效地提 高散 热效果的结论 ， 并提 出了对不 同用途的笔记 本 电脑的散热 器选型建议。
关 键词 ： 笔记本电脑； 散热； 数值模拟； 设计优化
中图分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３ ６ ８ ． ３ ２ 文献 标识 码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ６ ７ ４ ． １ ０ ４ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ ． ０ ０ ４ ９ ． ０ ７ 目前 主 流 笔记 本 电脑 所 使 用 Ｃ Ｐ Ｕ的热 设 计 功 耗 （ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ， Ｔ ＤＰ ） 在３ ５ ｗ 左右 ， 如Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ Ｃｏ ｒ ｅ ｉ ５ 系列 Ｉ ｖ ｙ Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅ 架 构 标 准 电压 版 移 动 Ｃ Ｐ Ｕ的 Ｔ Ｄ Ｐ就 是 ３ ５ ｗ…， 又 如 ＡＭＤ的 Ｒ ｉ ｃ ｈ ｌ ａ ｎ ｄ ＡＰ Ｕ标准 电 压版 的Ｔ ＤＰ 也是 ３ ５ ｗ 。相对 台式 Ｃ Ｐ Ｕ来 说 ３ ５ ｗ的Ｔ Ｄ Ｐ并不 算 高 ， 但是 散 热 系统设 计 不合 理会 降低 笔
笔记本电脑散热器翅片结构性能分析
笔记本电脑散热器翅片结构性能分析作者：沈喜源王文杨书政来源：《硅谷》2013年第04期摘要从场协同原理的基本概念出发，结合基本认识，开发出满足制造工艺的强化传热结构翅片，能够有效降低翅片温度。
本文就是根据场协同论原理，在翅片上设计出适当肋，如开缝，打凸包，并移动肋的位置，运用仿真软件来分析哪种结构能够最大限度降低翅片温度，并实验论证了场协同原理有效性。
关键词场协同；对流换热；FloEFD；仿真中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-028-31 笔记本电脑散热器翅片现状目前笔记本电脑散热器已经发展到热管+翅片型散热器。
借由热管做热传输路径，将热量传输到翅片上，再由翅片将热量散发到外界环境。
散热区域的关键是翅片。
2004年，胡俊伟，丁国良针对平直肋片、开缝肋片利用Star-CD 软件进行了数值模拟，并用场协同理论进行分析。
2005年，李惠珍，屈治国等人对2排X型双向开缝翅片管换热器进行实验研究，结果表明，开缝翅片的有效传热根本原因是翅片开缝后改善了速度与温度梯度的协同性。
2008年，张京兆、陶文铨等人建立了四个模型对圆形开缝肋片与矩形开缝肋片进行了比较分析计算，得出结论：相同雷诺数下，三种开缝圆肋的场协同性均优于方肋开缝翅片。
针对目前笔记本电脑使用最广泛的CPU风冷散热器，本文以笔记本电脑某款散热器作为实验研究对象，采用数值模拟和实验研究方法测试分析翅片散热性能。
笔记本电脑散热器由铜块，结构件，热管，翅片组成（如图1所示）。
铜块：借助铜的高导热率，将热量从芯片表面传导到铜块上。
熱管：类似电学上的导线，将热量从铜块处传递到散热区域（翅片）。
结构件：为物理化的散热器组件提供锁固，支撑作用。
翅片：在一定体积下提供足够大表面积的散热区域，本文翅片材料选择为铝。
依据现今笔记本电脑散热器现状，采用无源技术来降低翅片温度。
本文使用在翅片上增加凸包，半开缝，开缝等无源强化方式，对散热器翅片进行优化。
基于Icepak的叉排式CPU散热器数值模拟-李雪丽
2.3 结果分析与讨论
2.3.1 不同翅片高度的影响 叉排式散热器由翅基和翅片组成， 不同翅片高度对散热效果的影响不同。 设定翅片长度 为 50mm，前后两段翅片之间的间距为 4mm，相邻翅片的间距为 8mm，探究不同翅片高度对散
热效果的影响。
75
71.0
70.5
70.0 4 6 8 10 12
2 散热效果数值模拟
2.1 模型与计算方法
2.1.1 几何模型 考虑到笔记本电脑体积小，结构复杂，为了能精确模拟其散热情况，主要建立了一个硬 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 所示。 整个系统由两个风扇和四个通风口冷却。 其中，通风口的设置为：一个圆形的半径为0.016m，另三个矩形通风口的大小分别为 0.006×0.07m2、0.006×0.07m2和0.091×0.2355m2，电源板和PCB板的厚度均为0.002m，热阻的 功率为0W。
2.2 网格划分及独立性考核
采用 Mesher-Hex Dominant（对曲面边界使用三棱柱网格，其它区域使用六面体网格） 进行划分。
（a）整体网格图 图 2.2 网格划分
（b）垂直于 Z 轴的切片网格
当环境温度为 20℃，重力方向的初速度为-1m/s 时，对不同网格尺寸进行考核。其中Ⅰ Ⅱ与Ⅲ对应网格数分别为：106805,164108,194051。
3
2
0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 Q/(m /s)
3
（a）CPU 风扇的特性曲线
（b）排风风扇的特性曲线
图 2.1 风扇特性曲线图
2.1.2 数学物理模型 由于电子器件温升低于 100℃时，计算得出的雷诺数大约为 4200，本问题采用零方程 湍流模型。松弛系数的设置为压力、动量、温度、粘度、质量力，其对应的数值分别为 0.7、 0.3、1.0、1.0、1.0。并设置 Z 方向的速度初始值为 1m/s。计算环境为 20℃，1atm。 根据上述问题分析满足如下控制方程： （1）连续方程