水冷散熱分析/水冷熱流分析

水冷板熱流分析

現階段主流散熱方式主要分為自然冷卻、風扇冷卻、水冷、熱管模組散熱四種,水冷模組由水泵推動管路中冷卻液流經發熱源,散熱效果較風冷高三到五倍且沒有震動噪音問題,因此適合應用於冷卻上百或上千瓦高功率伺服器設備,但冷卻板上對應電子發熱元件相當多相對的流道折彎處也會大幅增加,此影響造成水流壓力損失散熱效率下降,因此良好的冷卻板、流道設計是水冷模組相當重要的一環,由於水冷系統市面上各種熱流分析軟體在於網格分佈上幾乎很難滿足CAE模型的精準性,例如FLOTHERM或是ICEPACK等這類別的軟體,要進行3D水冷管熱流分析,就會面臨網格難以精準的建構於水冷管內,以及計算時容易發生收斂性的問題,導致分析不易。本篇介紹以模擬工具Simcenter 3d ESC (SC ESC)  熱流分析軟體,以水冷板散熱分析為例,提供完整的水冷熱流分析。

水冷散熱

水冷管流道

分析物件為一水冷板模組,含上下冷板與銅管路。使用NX 內同步建模工具或流體填充功能建立出銅管內流道體積。

水冷熱流分析
水冷管流道

水冷系統網格建構

使用3D Tetrahedral 與 Hexahedral 網格混合搭配建立節點不連續網格,此法能在不降低精準度下提升計算效能約3~10倍。將管壁設為銅材上下板為鋁板,使用70%水混合30%冷卻液為流道內流體,給定流速6 L/min用 k-ε紊流模型做穩態熱流模擬,計算三塊電子元件發熱640瓦在系統穩定後結果。

水冷管熱流分析

40萬網格經過20分鐘達成收斂運計算完畢,由圖可觀測流體動量、能量與質量均達到收斂標準,且都有守恆。

水冷系統收斂

結果顯示冷卻板外表面靠近發熱原處溫度約落在38~35℃,而整塊板子平均溫度由25℃上升到28℃,銅管管壁最高溫達到29℃。

水冷熱流分析
水冷管熱流分析

流體溫度由25℃上升到26.3℃

SC ESC 於水冷熱流分析的優勢

根據SC ESC計算出來的壓損、溫度分布、流速分布等數值分析人員能夠很輕易判別出需要改善的冷板位置,除此之外SC ESC 中就具備完整修改模型的NX CAD功能,在設變過後可以再次回到分析介面重新運算,新設計模型不需要再次重新進行網格或邊界條件設定,只要一鍵即可更新整個設定參數。使用SC ESC將設計與模擬同步整合,將原本需要反覆設定的步驟省略減少設計模擬花費時間約20%,且它的高度CAD整合功能讓使用者可以直接使用CAD圖檔模擬,不再需要在分析工具內重新建模,真正將設計、模擬、驗證合而為一。

其他參考資料

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