【分享】基于 Simcenter Flotherm 优化液冷散热仿真分析

文章来源于：西家数字化工业软件小程序

摘要: 随着云计算、大数据、人工智能技术的飞速发展，对大数据的计算与存储的要求也越来越高，服务器的功率密度急剧攀升，传统的风冷散热方式瓶颈已经凸显，液冷技术逐渐登上舞台，成为服务器、数据中心的主角。本文主要简述了运用Simcenter™ Flotherm™ 软件进行服务器的液冷 (冷板式)散热仿真和优化分析。

关键词: 服务器；风冷；液冷仿真；冷板式

冷板式液冷的原理：利用流体作为热量传输的媒介，将热量传递到远端再进行散热，冷却后的液体再次流到发热元件，如此循环往复。显而易见，水冷板是整个水冷系统最关键的部件，其效率的高低决定了整个散热系统的散热能力。本文简述了应用Simcenter Flotherm软件进行服务器的液冷 (冷板式)散热仿真，通过对冷板内部Fin片的不同参数进行仿真对比寻找最优方案。

1 乘员舱热舒适性模型

冷板即电子元件的热交换器。冷板技术就是通过铜、铝等高导热金属制成的密闭腔体，将发热元件的热量间接传递给在密闭的循环管路中的冷却液体，最终借助冷却液将热量带走。

冷板的组成：典型的冷板一板由盖板、Fin片、底板和侧壁等部分组成，其结构形式如上图所示。

冷板的散热主要与冷却液的流量和物性参数，冷板内的换热面积，以及冷板内Fin片的设计相关。为了确保元件的热被冷却液尽量的全部带走，冷板的内部设计就显得尤为重要。

2 理论分析

能量守恒定律: Q=m*Cp*(Tout-Tin)=p*v*Cp*(Tout-Tin)

Q-元件的热功耗；m-流体的质量流量=pv；Cp-流体的比热容；

从公式可以看出影响传热的因素：流体的物性参数(密度，比热)，流速等等。故从成本与传热性能考虑，去离子水是理想的传热流体。

牛顿冷却定律: Q=h*A*(Tw-Tf)*η0

h-对流换热系数；A-表面积；Tw-物体表面温度；Tf-流体温度；η0-冷板效率。

冷板效率公式: η0=1-(A1/A)* (1- ηf)

由此可见，冷板的散热主要与冷却液的流量物性参数（密度，比热)、冷板的换热面积、冷板内部Fin片的设计有关。

故本文主要针对冷却液选择去离子水+20%乙二醇 (防冻液) ，Fin片内部采用平行Fin (与流道方向平行)设计，通过5种不同的Fin厚度与Pith的设计方案，选择最优设计方案。

3 冷板设计规格

4 冷板模型建立

散热仿真软件的几何建模能力远不如专业的结构画图软件，而且越复杂的结构，耗费的计算时间越长。因此建模的关键在于对实际的元件结构进行合理的简化，在保证仿真建模的准确度的同时，尽可能的简化模型。为减少计算时间和能更加直观的观察传热的情况和规律，冷板式散热仿真只针对CPU和水冷板以及管路进行模型建立。

1)CPU(采用Intel散热仿真的标准Flotherm模型进行散热仿真)；

3)管路采用enclosure进行建模，材料属性: Cu (参数如下图所示）

4)为保证CPU与冷板更好接触，需增加导热膏(厚度0.1mm);

5)对CPU/管路进出水口进行温度和流量的监控；

6)对整体模型机型网格优化与检查。

(整体模型如下图所示)

5 网格划分

在网格划分中，针对流速、温度变化较大的区域进行网格的加密，对于流速、温度变化平缓的区域，网格可以稀疏。这样的设置既可以满足计算的精确度又不会因为网格太多，造成求解效率过低。

为了能准确的捕捉水冷板的流场和边界层信息，流道的网格需要局部加密；

尤其是水冷板中Fin片 (Fin片与Fin至少要有1-2网格切割) ;

导热膏厚度的方向至少3-4个网格切割；

6 模型边界条件设置

1)水冷板仿真是气液共存的状态需要把气液进行Volume Region进行隔离 (冷却液的流道需要与气体进行Region隔离) ;

2)在进水管端口设置等截面的Fixed Flow，提供进液流量 (设置如下图)。

7 仿真结果与分析

1) 收敛的标准

随着迭代计算的进行，参数残差值稳定在某一数值并且监控点的数值不随迭代次数的增加而变化。

2) 温度、速度、压力分布云图:

3) 仿真数据

t: Fin片厚度，p: Pitch (mm) Fin片高度固定为3mm

从仿真结果看：方案 (两CPU串联) 相比传统结构，方案最优 (CPU1温度最低，且CPUO与CPU1温差在5C之内，流阻比方案1-传统结构低6.3Kpa)。

从仿真数据可以看出，串联的CPU冷板方案类似于前后布置的CPU风冷方案，需要在fin厚以及pitch (间距)之间做到平衡，在满足客户温差要求的范围内做到流阻最小，同时还要满足Tcase的温度要求，这需要我们不断调整前后冷板的fin厚和pitch间距，寻找fin片的最优化方案。

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《基于 Flotherm 软件的服务器液冷散热仿真分析》论文点评文:

随着大数据、云计算的快速发展，让人类的生活日趋便捷，也让世界更加互联，这就需要越来越多的计算能力。而追求高计算能力的同时，将直接导致芯片功耗及散热成为新的挑战。液冷技术又分为全覆盖式冷板液冷和浸没式液冷，目前全覆盖式冷板液冷技术较为成熟，浸没式液冷刚起步，还存在很多问题需要解决，比如密封的问题和电子冷却液的问题。论文中联想服务器热设计部门的工程师，采用Simcenter™  Flotherm™ 对冷板式液冷服务器进行了散热仿真和优化分析，通过对冷板内部Fin片的不同参数进行仿真对比，找到了最优的方案。在模型的处理上，客户通过Simcenter Flotherm的网格划分，针对流速、温度变化较大的区域进行网格的加密，对于流速、温度变化平缓的区域，网格可以稀疏处理，这样平衡了计算的规模和流体计算的精度。通过5种方案的计算，通过不断调整前后冷板的Fin厚度和Pitch的间距，在满足客户温差要求的范围内，做到流阻最小同时满足芯片结温的要求。目前工程师还是通过个人经验结合Simcenter Flotherm热仿真的能力，进行了优化分析，未来可以更进一步接触Simcenter Flotherm自带的优化仿真分析功能，自动通过DOE或者响应面优化的方法，对Fin尺寸进行更佳的优化，同时Simcenter Flotherm还能够跟HEEDS相结合，进行设计空间探索，能够更轻松、更快速的进行热仿真的优化迭代，自动进行寻优热设计，对提升工程师仿真能力和效率都非常有效。

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