租赁笔记本电脑散热CFD分析

笔记本散热器翅片的优化设计分析

2散热翅片优化设计

图1     翅片基本结构示意图

如图1 所示，矩形翅片长、宽、高分别为57 mm，11 mm，7 mm，在矩形通道翅片上，在不改变原翅片间距的条件下，进行增加开缝，凸包，以及调整开缝，凸包位置等方式，达到减薄热边界层的效果。以下方案中，各种开缝，凸包体积一致。

形式1 ：

矩形全开缝，位置在进风口1/3，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式2 ：

矩形全开缝，位置在进风口1/2，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式3 ：

矩形全开缝，位置在进风口2/3，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式4 ：

菱形半开缝，位置在进风口2/3，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式5 ：

2 个圆形凸包，分布为平行于出风方向，位置在距进风口2/3 处，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式6 ：

2 個纺锤形凸包，分布为平行于出风方向，位置在距进风口2/3 处，高度为翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式7 ：

2 個纺锤形凸包，分布为法向于出风方向，位置在距进风口2/3 处，高度翅片高度2/3，厚度为1/2 片距。

形式8:

为原始形式。

图2    各形式翅片示意图

FloEFD 的分析步骤包括CAD 模型建立、自动网格划分、边界施加、求解和后处理等都完全在CAD 软件界面下完成。本文选用的是兼容Pro/Engineer 三维建模FloEFD v10.0，所有模型通过Pro/Engineer 建模进行装配后导入软件后进行分析计算。采用六面体网格，选取空气作为换热介质，设为不可压缩流体，物性参数按常数处理；选用k-ε 湍流模型，设定进口温度为普通室内温度T=293 K，设风道出口为翅片出风口。由于不考虑辐射换热，翅片的边界条件按绝热边界条件来处理。

为了能将仿真结果与实验测试结果进行对照，在仿真过程中设定了2 种不同的加热功率，即租赁笔记本电脑全功率运转及待机时的功率。风扇风量固定为0.14 m3/min。选择翅片监测点：翅片长度方向1/3，2/3，宽度为翅片总宽1/2 的2 个点。如下是全功率25W（CPU）+15W（NB），及待机功率15W（CPU）+10W（NB）仿真结果。

图3    全功率及待机功率下各形式翅片监测点仿真温度

从仿真数据分析，2 个纺锤形凸包，分布为法向于出风方向，位置在距进风口2/3 处，高度为2/3 翅片高，厚度为1/2 片距，该设计为上述7 个方案中的最优设计。结合场协同原理可以解释为，打凸包，开缝，破坏了热边界层，在流场下方比在流场上方有效。此外，分布于法向出风方向的凸包，能产生纵向涡，有效增强散热。仿真结果表明，打凸包与开缝比较，打凸包比开缝效果好。

如图4所示，试验系统由数据采集器，电源供应器，测试夹具组成。

图4    测试系统图

在试验过程中，温度测量系统采用以标准温度计标定的铜- 康铜（Φ 0.2 mm）热电偶进行温度测量，热电偶信号采用Fluke 公司2640 A 网络数据采集器采集。为保证试验测量的准确度，在试验前，通过国家认可的计量单位（富士康华南检测中心）进行了校正。通过对整个散热系统热平衡情况的测试，得出其误差小于4%，试验数据可靠。试验过程中，数据的取值需要考虑系统运行的稳定性，避免由于系统运行中的波动造成的测量误差。因此，每组试验数据的读取，均是整个系统在相应的工况下稳定一段时间后进行采集，从而减少各种系统误差的产生。如下是全功率25 W（CPU）+15W（NB），及待机功率15W（CPU）+10W（NB）实验结果。

图5    全功率及待机功率下各形式翅片监测点实验温度

选择有代表性的两种功率，两种状况下，温度趋势相同。形式1，形式2，形式3 三者相比，形式3 温度最低，说明在开缝条件下，在顺风流向的下游开缝比上游开缝效率高。形式3与形式4 比较，即全开缝与半开缝比较，全开缝与半开缝温度接近相同。形式3 与形式5 比较，打凸包比开缝能使温度降更低。形式5 与形式6，形式7 比较，顺风流向的纺锤形，因不能产生纵向涡，温度最高，圆形凸包与垂直于风流向的纺锤形凸包，因能产生纵向涡，温度低，垂直于风流向的纺锤形凸包，因纵向距离比圆形纵向距离长，更容易产生纵向涡，性能较圆形凸包好。

从仿真结果与实验结果对比发现，两者数据趋势一致。仿真与实验过程中，各个形式对应温度均相近。说明仿真过程中，各参数设置合理，实验过程中，测试误差小。