CPU散热器冷却技术毕业设计

毕业设计（论文）CPU散热器冷却技术

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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1 绪论

1.1 概述

众所周知电脑的核心元件是CPU，它能否正常工作至关重要，而保护它正常工作的部件之一有散热器的责任，随着电脑技术的飞速发展随着互联网的普及，电脑已成为人们重要的学习，生活和工怍的工具之一，是人们忠实的助手近年来电脑内部越来越棘手的散热问题已成为倍受关注的焦点。散热问题的解决，除了必要的散热环境外，最终要落实到散热器上，散热器的发展对于CPU的发展已起着举足轻重的作用。

为了提高运算性能，CPU单位面积内集成的晶体管数量不断增长，导致总的能量消耗以及因此而转换的热量直线上升。目前CPU芯片的发热量已猛增到每平厘米70W-80W，透过散热器基板传导的热流密度已高达10w/m2-105w/m2量级[1]，而且其体积越来越小，频率和集成度却大幅度提高，高热流密度的产生使芯片冷却问题越来越突出。目前Intel公司生产的台式机酷睿系列CPU其最大发热量达130W。2000年美国半导体工业协会预计,到2011年高性能微处理器芯片功耗将高达177W。

高温会对芯片的性能产生极其有害的影响，芯片温度每升高1℃其运行可靠性降低3.8%，而芯片温度每下降10%其寿命增加50%。研究表明电子设备失效有55％是由于过热引起[2]。因此作为CPU冷却的主要器件散热器也得到了显著关注[3-4]。

及时有效地传出芯片发出的热量，使芯片在规定的温度极限内工作，这对计算机的发展极为重要。

1.2 CPU散热技术简介

目前CPU散热器按冷却技术分主要有3类：空气对流换热(被动、半主动、主动)，液体冷却换热(水、油和氮气冷却)和相变循环系统(热管)。

1.2.1 空气对流换热散热器

空气对流换热散热方式中风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装方便等优点。但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。

主动式散热是通过散热片将CPU产生的热量自然散发到空气中, 因为是自

然散发热量，效果不是很好，其散热的效果与散热片大小成正比。面积越大散热效果越好。这种散热方式的优点是方法简单且安全, 不需额外耗电，而且不用担心有风扇坏掉的危险。但散热效果不理想,对较大功率的CPU散热需要要很大的散热面积才能达到散热效果,在有效空间的计算机机箱内很不现实，因此这种散热方式主要用于产热量不严重的电子元件的散热。随着电子元器件的功耗加大,出现了靠机箱风扇带走热量的半主动型散热器。被动式散热是利用风扇等散热设备将散热片上的热强制性带走,这种散热方式的优点是散热效率高, 而且设备体积小,是目前给CPU散热的主要方式。在被动式散热方式中,根据其散热介质的不同,又可分为风冷散热、水冷散热、半导体制冷散热、热导管散热和化学制冷散热等四种方式。

其中风冷散热方式又分为平掠式和射流式两种。平掠式-气流平行于散热器表面流过，平行送风温度分布不对称，流场以层流为主，因此散热效果欠佳。射流式-气流垂直冲击散热器表面，垂直送风时温度分布是左右对称，在流场中造成很大的扰动，在散热器表面形成广泛的紊流区，散热效果好。风冷散热发展比较早，能满足一般CPU的散热要求。

图1-1 风冷散热器机构图

1.2.2 液体冷却式热散热器

液冷散热(强制间接液冷)是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。

图1-2 液冷散热器机构图

1.2.3 相变循环系统散热器

常见的相变冷却散热器有热管装置，它是一种高效传热元件，充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。

图1-3 导热管热器机构图

目前出现了一种较新型的相变冷却方式，即化学制冷，它使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下(理论上)，当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室。

1.2.4 新型技术散热器

半导体制冷是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。

微通道散热的概念最早由 Tuckerman和Peace于1981年提出,它是由具有高导热系数的材料构成。根据Riddle等的研究：流量一定时,矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比。随着通道直径的减小,换热系数相应增加,同时系统的散热面积与体积比也显著增加。因此尽管体积不断减小,散热能力反而得到极大的提高。两种具有相同长度和高度的微通道集热器,当微管道宽度为10μm时,CPU温度为65℃，而当宽度为100μm时，CPU温度则高达85℃，显然宽度越小对散热越有利。因此，尺寸因素对微通道散热器的影响是至关重要的，而这又直接影响了CPU的运行性能。据其官方网页的数据，散热通量甚至可达1000 W/cm2，体积小重量轻、无噪声、性能稳定、可靠性高、寿命长，与芯片的集成性好，成本低等。此外，微通道的堵塞问题，低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的。随着微通道散热器本身的技术进一步完善，这种产品将有更大的发展潜力和市场需求。

对常用冷却技术的功耗做一比较，如表1：

[5]

由次看出相变冷却单位传热面积的功耗最大，耗电量也最大。液冷次之，空气自然对流和辐射和强迫风冷很小。强迫对流冷却散热器的功耗大小在于散然风扇的功率，风扇提供一定的风速，风扇需要一定的能耗。一般风扇能耗较小所以强迫风冷散热方式适合一般用户的使用，有效降低了能耗。

虽然液冷散热器的散热效果要比风冷散热器好，没有噪音但是自身系统复杂，价格较昂贵，需要良好的通风环境，并且体积大安装和维护不方便，容易滴

漏、安全性不高与液冷散热器相比翅片式散热器结构简单(但有风扇噪音)，价格低廉(比较其它散热方法)，安全可靠，技术成熟，对CPU来说翅片式散热器已经足够之所以被广泛应用[6]。

1.3 本论文研究的内容

散热器成为制约CPU发展的一项重要研究。蒸发冷却、喷射冷却、微槽通道受迫对流冷却等高效的冷却技术已经实际应用，但由于成本和价格的限制，这些技术很难广泛用于普通用户。被动型空气冷却散热器主要依靠自然对流交换热量,是20世纪的90年代以前CPU散热的主要途径。依靠专用风扇冷却CPU的空气强迫对流主动式散热器因其结构简单，安装简便，成本较低，散热效果明显，适应性强，产品更新换代灵活等特点成为当今散热技术的主流[7]。

本论文针对一般用户CPU的散热功率进行散热设计。目前常用的计算机CPU 功率一般在60W～95W之间，CPU允许的最高温度在70～80℃之间，超过80℃可能造成永久性损坏。所以在设计过程中翅片基底温度必须保持在70℃以下。

通过查阅相关文献，对风冷翅片式CPU散热器的工作原理及优化方式做了系统的了解，并利用PHOENICS数值模拟软件进行分析研究，得出翅片散热器的换热特性及流动特性。运用PHOENICS数值模拟软件对射流式CPU散热器进行优化设计，进风位置翅片式散热器的换热特性及流动特性的影响，在此基础上进一步优化组合得出最优的散热器结构，本文采用Phoenics Reader软件对计算结果进行数据处理，得出翅片的温度场、速度场的分布情况，使散热器模型的换热特性及流动特性从数据、图像上一目了然。

2 射流式风冷散热器

2.1 射流式风冷散热器的结构

CPU散热器是流体力学和传热学领域的重要研究对象,前人的研究工作[8-9]几乎都是将散热器放置在一个流速均匀的流道中进行实验研究或数值模拟，所研究的是散热器肋片间的层流流动，流动方向是沿肋片间流道方向。由于CPU的冷却一般采用轴流风扇加散热器的冷却方式，即射流式，这时流动是紊流而且冷却气流的方向是沿散热器顶部朝下[10]。

射流式散热器的温度分布都是下部高，上部低，从恒温热源传入的热量是从散热底部向上传递的，这符合传热学一般规律。由于射流受到壁面的摩擦影响，射流速度从肋片顶部向下逐渐减小，受散热器底面的限制，速度减小为零，然后反向流动出现回流。这一区域的存在，直接影响散热器的散热[11]。

2.2 射流式风冷散热器的工作原理

热量传递的基本方式有三种，即热传导，热对流和热辐射。热传导是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之间。因直接接触而引起的热量交换。风冷散热器热量传递的基本方式有三种，即热传导、热对流和热辐射。其中热传导与热对流是主要的热量传递方式。热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触．就能够发生热交换的传递方式，此处热辐射很小，可以忽略不计。热源(CPU)将热量以热传导方式传至导热介质。再由导热介质传至散热片基部。由基部将热量传至散热片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气流出热空气，完成整个散热过程。

图2-1 风冷热器散热原理

热传导是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之问。因直接接触而引起的热量交换。热传导的基本公式为： dx

dt A λ-=Φ (2-1) φ——代表热量，也就是热传导所产生或传导的热量（W ）；

λ——材料的导热系数（W/(m ·K)）；

A ——代表传热的面积或是两物体的接触面积（m 2）；

dt ——代表物体两端的温度差；

dx ——x 方向任意一个厚度的微元层；

负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反。从公式可以看出，热量传递的大小同热传导系数、传热面积成正比，同距离成反比。热传导系数越高，传热面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高。也就越容易带走热量。

热对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。在翅片散热器中翅片进口冷空气受风扇强制对流带走翅片上比较热的空气，风扇持续补充冷空气，完成散热过程。对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式：

()w f

hA t t Φ=- (2-2) H ——表面传热系数（W/(m 2·K)）； w t 、f t ——壁面温度和流体温度（℃）；

2.3 射流式风冷散热器的影响因素

风冷散热器由散热风扇、散热片、扣具、导热介质四部分构成，再加上环境因素，就形成了影响风冷散热器散热效果的五大要素[12]：

图2-2 风冷散热器基本结构图

1散热风扇 2散热片 3扣具

（1）散热片：负责吸收热源发出的热量（通过传导方式吸热)，并将吸人的热量放出(通过强制对流方式放热)。

（2）扣具：固定散热器用压力确保散热器底部与处理器表面良好接触，保证散热片与热源有一定的接触面积，充分发挥散热效果。

（3）风扇：提供一定风量风压的气流。在气流与散热片表面之间进行强制对流散热。通过空气把传递到散热片的热量及时带走。

（4）导热介质：减少或克服散热器底部与处理器表面接触不充分而产生的接触热阻，填充缝隙，增大热源与散热片的接触面积，增大热传导量。

（5）环境：提供一定温度、一定压力下的冷流体（空气)，将传递至散热片的热量进行对流换热并散热到空气中。

合理选择散热器正确安装和维护，才能保证CPU始终处于良好的工作状态因此，选择散热器时要充分考虑影响散热器散热性能的因素。

（1）材料工艺：散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助。导热系数越大，导热能力越强。在金属材料中，银的导热系数最高。但成本高，纯铜其次。但是，铜的比重比铝大，不符合散热片重量限制的要求；铜材价格昂贵，易氧化；红铜的硬度不如铝合金，某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝；铜的熔点比铝高很多，难以挤压成形导致其加工难度大，加工成本高的问题。另外，与铝比较铜的热容量更小，也就是说，其本身不能储存更多的热量，这个弱点显示在散热器上，就是当电脑关机，风扇停转后，CPU内积蓄的热量无法很快被铜质散热片带走。这样便会大大缩短配件的正常使用寿命,在风冷散热器中一般用6063T5铝合金，这是因为铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工)表面处理容易成本低廉。但随着散热需求的提高，综合运用各种导热系数高的材料已是大势所趋。部分散热片采用铜铝结合的方式来制造。散热片底部采用纯铜，是为了发挥铜的导热系数大，传热量相对大的优点。而鳍片部分仍采用铝合金片，是为了加工容易，将换热面积尽可能做大。以便对流换热揖增大。铜铝的结合应用，既保证了散热器重量不超标。又可控制成本。也取得了很大的效能提升[13]。

表2-1各种散热片工艺对比

表2-2 铝的物理性质

（2）加工工艺：根据热传导理论，导热量与接触面积成正比。接触面积越大，散热片鳍片越多，散热效果也就会越好。但鳍片的间距不能过密，过密不利于空气的对流，热量不能及时散发。其次鳍片的高度越高，也可获得更大的有效散热面积。另外散热片的底部必须保证有足够的厚度，这与高热传递时散热片的热容量有关。散热片底部的功能是要将热源的热量大量吸走，如果底部厚度不足，散热片的热容量则不足。传热量会受到限制，提高了散热片壁面温度散热片周围空气温度上升，气流动力粘度因空气温度的上升而增大，导致空气流动受阻。散热片与空气对流换热量将减小，对流换热热阻加大，热源的温度就无法降到理想的程度 [14]。

图2-6 中间开缝翅片图2-7 平直翅片

（3）扣具：CPU散热器的扣具是固定散热片和CPU插槽。确保散热器底部与处理器表面良好接触的散热器配件扣具的质量优劣和设计的好坏直接关系到散热器的安装方式散热效果和芯片的安全，主要包括安装简易性，重心位置，压紧应力和抗震动能力。扣具重心与CPU的DIE的中心重合才能保证散热器与CPU的DIE 充分接触。扣具的压紧应力的大小也必须控制，既要保证散热器底部与处理器均匀受力，也要防止压力过大压坏处理器或压力过小产生间隙，增加热阻。

（4）导热介质：由于散热器底部与处理器表面接触不充分会产生接触热阻，存在于这些空隙中的空气对散热器的传导能力有着很大的影响。利用导热介质能填充缝隙增大热源与散热片的接触面积，减小热流距离，增大传热量。衡量导热介质工作特性的性能参数有导热系数，热阻系数，填充能力，工作温度等。导热

介质涂抹时应均匀，能够覆盖CPU核心即可另外，导热介质长时间使用后会出现“干化”或“硬化”现象。为保证系统稳定工作，应定期清理并重新涂抹。

（5）风扇：热量传到散热器的顶部后，需要尽快地将传来的热量散发到周边环境中去，就是要与周围的空气进行热交换。当热量传递给空气后，和散热片接触的空气温度会急速上升。这时候，热空气应该尽可能和周围的冷空气通过对流等热交换方式来将热量带走，对风冷散热器来说，最主要的手段便是提高空气流动的速度，使用风扇来实现强制对流。散热器风扇的效能(例如风量，风压)主要取决于风扇扇叶直径轴向长度、风扇转速和扇叶形状。但是，任何风冷散热器在运行时都无可避免的会产生噪音，风扇转速过高会增大运转噪音。在降温能力满足散热需求的情况下，尽量选用低转速风扇。

3模拟计算及后处理软件介绍

3.1 模拟计算软件介绍

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场用一系列有限个离散点上的变量的值的集合来代替，通过一定的原则和方程式建立起关于这些离散点上场的变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得常变量的近似值[15-17]。

（1）计算流体动力学的工作步骤

CFD可以看做是在流体基本方程（质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程）控制下对流的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度，压力，温度，浓度等）的分布。

采用CFD的方法对流流动进行数值模拟，通常包括如下步骤：

①建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。

②寻求高效率，高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法，有限元法，有限体积法等。

③编程程序和进行计算主要为计算网格划分，初始条件和边界条件的输入，控制参数的设定等。

④显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果又重要参考意义。

（2）计算流体动力学的特点

CFD的长处是适应性强，应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性方程，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求解，而用CFD

方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值试验。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性能给出详细和完整的资料很容易模拟特殊尺寸，高温，有毒，易燃等真是条件和试验中只能接近而无法达到的理想条件。

CFD也存在着一定得局限性。首先数值法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理，数学上适用，适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解并有一定的计算误差；其次，它不像物理模型试验一开始就能给出流动现象并定性的描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的

数学模型进行验证；再者，程序的编制及资料的收集，整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验和技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实。

（3）计算流体动力学的应用领域

①水轮机，风机和水泵等流体机械内部的流体流动

②飞机和航天飞机等飞行器的设计

③汽车流线外型对性能的影响

④洪水波及河口潮流计算

⑤风载荷对高层建筑稳定性及结构性能的影响

⑥换热器性能分析及换热器片形状的选取

⑦河流中污染物的扩散

⑧汽车尾气对街道环境的污染

⑨食品中细菌的运移

3.1.1 常规CFD软件

为了完成CFD计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于CFD的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而CFD本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于被制成通用的商用软件。自1981年以来，出现了如ANSYS，PHOENICS，Icepak,FLUENT等多个商用CFD软件。

（1）ANSYS

ANSYS是由Swanson Analysis System，Inc开发研制的著名大型模拟软件，它基于有限元算法，不但可用于分析线性，静态等简单的问题，而且还可以用于分析非线性及瞬间等复杂问题。ANSYS可在微机和工作站上运行，具有强大的热分析功能，同时具有一个强大的实体建模及网络划分工具，分析类型丰富，使用方便，并且具有强大的前后处理功能，其图形输出功能清晰、直观地反映温度场分布的计算结果，因此具有广泛的适用范围ANSYS软件是一种功能强大的可应用于很多领域的大型有限元分析软件。它可以进行静力学，结构力学，热学，流体动力学、低/高频电磁场等多领域多学科问题的单独分析和耦合分析。

（2）Icepak

Icepak是一个专业的电子设备热分析软件，它能够解决系统级，部件级，封装级的热分析问题。它拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型，可以模拟自然对流，强迫对流，混合对流，热传导，热辐射，流-固的耦合换热，层流，湍流，稳态，非稳态等流动现象。它采用非结构化网格，能够针对复杂的几何外形生成三维四面体，六面体的非结构化网格，有多种网格生成方法，能够满足现代

电子产品设计中几何形状越来越复杂的要求。

这些软件的显著特点是：

①功能比较全面，实用性强，几乎可以求解工程界的各种复杂问题。

②具有比较易用的前后处理系统和其他CAD及CFD软件的接口能力，便于用户快速造型，网络划分等工作。同时，还可以让用户扩展自己的开发模块。

③具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。

④可在多种计算机，多种操作系统，包括并行环境下运行[18]。

3.1.2 本文所用模拟软件

PHOENICS是Parbolic,Hyperbolic or Ellicpic Numerical Integration Code Series的缩写。PHOENICS软件是世界上第一套计算流体与计算传热学商用软件，是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，有30多年的历史。也是世界著名的计算流体与计算传热学(CFD/NHT)软件。

PHOENICS 提供了直角坐标系、柱坐标系和适体坐标系三套坐标系统，可用于求解一维、二维及三维空间的可压缩或不可压缩、单相或多相的稳态或瞬态流动。适用于零维、一维、二维、三维、稳态、非稳态。Phoenics网格系统:直角、园柱、曲面（包括非正交和运动网格，但在其VR环境不可以）、旋转座标，多重网格，精细网格。可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响可压缩与不可压缩流体。亚音速，超音速，跨音速。变量（包括用户自定义的变量）数不受限制传导、对流、辐射换热，耦合传热，固液表面自动关联。

在流体模型上面，Phoenics内置了22种适合于各种Re数场合的湍流模型，三种多相流，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-e模型的各种变异，共计21个湍流模型，8个多相流模型，均包括相间动量、热量和质量传递。两相流求解方法:IPSA、ASM、PSI-Cell、SEM。10多个差分格式。燃烧和NOx 模型，扩散和动力控制的模型，包括多流体湍流燃烧模型。煤、气、油燃烧。化学动力学，包括多组分扩散和变物性，内置与CHEMKIN化工数据库关联的界面。6个辐射模型，包括计算角系数的面面模型，6通最模型和IMMERSOL的适用于辐射传热的组分辐射模型。计算流动与传热时能同时计算浸人流体中的固体的机械和热应力可选择线性和非线性方程解法(整场、逐面、逐点)，包括STONE和耦合残差梯度。线性、惯性和局部松弛。块修正。用于充分发展流的一次面求解。用于抛物流的前积分求解。

目前，PHOENICS已广泛应用于航空航天、船舶、汽车、暖通空调、环境、能源动力、化工等各个领域。在核电方面，利用PHOENICS不仅可节约大量经费，更为核电的安全可靠运行提供了可靠保证。

PHOENICS界面包括模型编辑界面，数值计算运行界面和计算结果查看界面三部分。利用模型编辑界面来建立几何模型是最适合初学者的，因为它不仅简单易懂，而且还可以自动生成PHOENICS输入语言所编写的Q1文件而不用使用者学习PHOENICS输入语言。当使用者对PHOENICS有了一定的了解以后，可以利用PHOENICS输入语言直接编写Q1文件或利用FORTRAN语言更深入地编写一些模块。计算结果查看界面可以将计算结果以形象易懂地方式表现出来，也可以利用PHOENICS中的图形处理模块将计算结果按我们想要的形式画出来。程序有前处理、求解器、后处理模块构成.。PHOENICS程序语言是标准ANSI FORTRAAN77语言，与机器无关，程序总共大约110,000条语句，2000个子程序。如图3-3为PHOENICS软件界面。

图3-2 PHOENICS软件运行界面

Phoenics的VR（虚拟现实）彩色图形界面菜单系统是这几个CFD软件里前处理最方便的一个，可以直接读入Pro/E建立的模型（需转换成STL格式），是复杂几何体的生成更为方便，在边界条件的定义方面也极为简单，并且网格自动生成，但其缺点则是网格比较单一粗糙，针对复杂曲面或曲率小的地方的网格不能细分，也即是说不能在VR环境里采用贴体网格。另外VR的后处理也不是很好。要进行更高级的分析则要采用命令格式进行，但这在易用性上比其它软件就要差了。另外，Phoenics自带了1000多个例题与验证题，附有完整的可读可改的输入文件。其中就有CHAM公司做的一个PDC钻头的流场分析。Phoenics的开放性很好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以用FORTRAN 语言进行二次开发。除了通用计算流体、计算传热学软件应该拥有的功能外PHOENICS软件有自己独特的功能：

（1）开放性：PHOENICS最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要任意修改添加用户程序、用户模型。PLANT及INFORM功能的引入使用户不再需要编写FORTRAN源程序，GROUND程序功能使用户修改添加模型更加任意、方便。

（2）CAD接口：PHOENICS可以读入任何CAD软件的图形文件。

（3）MOVOBJ：运动物体功能可以定义物体运动，避免了使用相对运动方法的局限性。

（4）大量的模型选择：20多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃烧模型，辐射模型。

（5）提供了欧拉算法也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。

（6）计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应力。

（7）VR（虚拟现实）用户界面引入了一种崭新的CFD建模思路。

（8）PARSOL（CUT CELL)：部分固体处理。

（9）软件自带1000多个例题，附有完整的可读可改的原始输入文件。

（10）PHOENICS专用模块。

3.2 后处理软件介绍

在本文中除了用PHOENICS软件的计算功能外还借助于其他补助软件对计算结果进行后处理得到数据和图表，根据这些数据和图表得到最终的结论。下面介绍后处理软件Phoenics Reader。

Phoenics Reader软件是读出PHOENICS软件计算出来的计算结果并在的Execl中做曲线图，对翅片不同位置的温度、压力、速度等进行数据分析。

图3-3 Phoenics Reader 软件界面

图3-3 Phoenics Reader 数据浏览界面

除此之外该软件还具备根据导出的数据绘制出温度，压力，速度变化趋势图以及保存数据，抓图等功能。

3.3 软件的综合应用

首先用PHOENICS软件建立模型，求解后，最终获得较稳定的温度场和速度场。保存计算结果，用Phoenics Reader软件读出网格点上的数据，在Execl 中做曲线图，对翅片不同位置的温度、压力、速度等进行数据分析。

以上两个软件的结合使用，在数据处理方面更加简单、明了，对比分析数据结果，采取优化设计，最终得到较合理的设计模型，尽可能提高风冷翅片式散热

器的散热效率。

4计算结果处理

4.1建立模型

4.1.1 散热器实际模型

本设计用Phoenics软件去设计散热翅片，进而模拟出流场、温度场变化。影响对流传热的因素有对流传热系数、传热面积、温度差，三个因素中任何一个因素增大对流传热量也就增大。根据实际情况改变这些因素，以加强对流传热，从而增大换热。

散热翅片实际模型如图所示，经过翅片开槽进行计算。使用散热片散热时，需先注意散热片与热流空气所产生的温度变化，再看最后是否收敛。根据常用CPU实物为模型尺寸，对散热器的传热系数、翅片温度、压力等参数进行了迭代计算，计算过程是将实际模型中10组翅片中取出任意2个组进行数值模拟。

对计算模型进行设定，图4-1为模型尺寸标注，表1为翅片的物理模型尺寸，在研究不同模型时进行对比计算。

图4-1

表4-1 翅片物理尺寸

注：N为散热器中翅片的个数

4.1.2 散热器理论模型

在Phoenics软件中，建立三维视图模型。取翅片长度方向为X轴，翅片高度方向为Z轴，延翅片间距的方向为Y轴。计算区域：X=110mm,Z=60mm , Y=9mm。在计算散热随翅片间距变化时Y轴的值另做设定。