服务器液冷流道优化设计与冷却介质选择

摘要

近些年电子计算机行业发展发展迅猛，其中高性能服务器市场需求需求翻番。产品在高性能的基础上集成程度的越来越高，体积越来越小，使得产品的热密度不断增大，对产品热管理热设计显得尤为重要。本文以某典型高性能刀片式服务器的液冷流道热设计和结构优化为研究背景，结合流固耦合换热中的场协同研究进行冷却介质选择，达到提高冷板换热性能的目的。 研究国内外服务器散热资料和热设计基本理论，选择了液冷的散热方式。以电子产品热设计及热分析理论为基础进行了服务器的热设计计算和校核，为后面的结构设计做好基础。 根据服务器主要热源芯片的位置和其他元器件的布局利用Solidworks进行五种流道设计，用集中参数法对系统其他模型进行简化，利用FloTHERM对简化后的模型进行建模和热仿真。通过对各个方案的芯片结构温度、冷板质量、冷板温度、系统换热量和纳米流体的进出口温度、各个流道压强分布、速度分布分析，得出方案5的设计较优。在接着对方案5各项特性进行全面的分析，发现两个芯片的温度差高达20℃，大大降低了系统的可靠性。所以在方案5的基础上进行第二阶段的优化，优化目标为两个芯片的温度差最小。分析其原因发现是由于两个芯片流量分布不均匀而导致的，通过对流道结构的局部调整，将流道换成伪串联得到方案6，通过对芯片1入口截面尺寸的调整得到方案7。 对方案5、方案6、方案7进行综合对比，可以发现两个芯片的温度差大幅度降低，满足优化要求。分析三者的压降，在此基础上提出以流道的压降最小为次要目标进行优化。最终在以两个芯片的温度差最小为主要目标、流道的压降最小的为次要目标的条件下，选择了芯片相差3℃、流道压降为2300Pa的方案7为最终方案。 在方案7的结构设计基础上利用FLUENT对纯水和不同含量的TiO2-水纳米流体进行矩形流道的流固耦合换热仿真，对仿真的结果从轴向Z=50mm截面的温度分布云图、轴向速度分布云图以及场协同角度进行分析，其结果表明纳米固体颗粒TiO2在一定程度上对基液起到了“扰动器”的作用，使矩形管道内的动量传递得到提升。 最后，将纯水和1.5%的TiO2-水纳米流体分别用FLOTHERM进行仿真，对结果进行分析对比，得出纳米流体可以提高冷板换热性能，在以后的高功耗产品中可以推广使用。

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摘 要

Wu GongYing （Power Engineering ）

Directed by Liu Junhong

ABSTRCT

目 录

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风冷散热

1.2.2 液冷散热

1.3 研究目标和研究内容

1.3.1 选题来源

1.3.2 研究目标

1.3.3 研究内容及方法

第2章 热设计理论基础

2.1 热设计传热传质理论基础

2.1.1 热传导

2.1.2 热对流

2.2 计算流体动力学控制方程

2.3 流固耦合问题描述

2.4 电子设备散热方式介绍

第3章 液冷板流道设计计算及优化

3.1 热设计理论计算及设计准侧

3.1.1 服务器主板介绍

3.1.2 服务器热设计条件

3.1.3 服务器热设计计算

3.2 液冷板流道结构简介

3.2.1液冷板流道结构简介

3.2.2液冷板流道初步设计

3.3 液冷冷板仿真及分析

3.3.1 仿真软件介绍

3.3.2 物理模型及网格

3.3.3 边界条件及模型验证

3.3.4 仿真结果及分析

3.4 液冷流道特性分析

3.4.2 流道流阻特性分析

3.4.3 流道压降特性分析

3.4.4 流道重量特性分析

3.5 流道结构优化分析

3.5.1 液冷流道优化目标

3.5.2 液冷流道优化方案

3.5.3 小结

第4章纳米冷却介质的优化选择

4.1 冷却介质选择依据

4.2 纳米流体的选择

4.3 纳米流体在流道内的流动换热模拟

4.3.1 物理模型及网格

4.3.2 边界条件及模型验证

4.3.3 仿真结果及分析

4.4 纳米流体强化换热机理的场协同分析

4.4.1 纳米流体强化换热的场协同分析

4.4.2 纳米流体选择

质量分数

4.5 综合优化分析

4.6 小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 热设计展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况