浸没式冷却新纪元:Flotherm电子元器件散热仿真教学

随着电子元器件功率的上升,散热成为技术发展的瓶颈之一。单纯的风冷在一些情况下无法满足散热需求,直接式液冷和间接式液冷因其可以提供更大量级的对流换热系数,带走更多的热量,成为散热方式上的更佳选择。

直接式液冷,又称浸没式冷却,是将电子设备直接放入充满诸如氟化液、硅油、合成油等之类的绝缘性液体中,通过绝缘液体的流动来带走元器件产生的热量,绝缘液体通过换热器与外部冷源进行热量交换,通过泵提供动力形成循环冷却系统。由于浸没式冷却的众多优势,越来越多的被工程师们关注,尤其是在服务器行业,已经有了非常多的应用。

数据中心液冷与风冷的比较分析、数据中心制冷的模式分析分别见下两表,表引用自“绿色数据中心***”。



浸没式冷却系统包括液冷机柜、管路部件、水泵、换热器、冷却塔及多个类型的传感器等部分,浸没式液冷机柜见上两图。在进行系统设计时,需要考虑到很多方面的内容,设计的精准控制也成为难点之一。

随着仿真技术的发展,为工程师的散热设计提供了便利,在不需要实际运行的情况下便可得到一定精度的结果。对于整个液冷系统仿真,可以使用像Flowmaster之类的一维仿真软件。

对于局部单个机柜或单台服务器的散热仿真可以使用FloTHERM软件。通过FloTHERM软件的仿真我们大致得到服务器中CPU、HDD、PSU、Heat sink等部件的温度值,通过仿真结果可以对冷却系统的设计提供可靠的依据。单台1U服务器的3D模型如下两图所示。


对单台服务器的浸没冷却仿真步骤如下:

1、首先依据3D模型的相关尺寸、位置信息,在Flotherm中建立仿真模型。在使用浸没冷却方式时,机架内部的风扇及风罩等部分可直接拆除。实际模型及简化后的仿真外壳及内部部件模型图分别如上两图所示。主要组成部分包括:CPU、HDD、PSU、DIMM、PCB、Enclosure、Cradle、Heat sink等。CPU为底部的基板、中心的陶瓷芯片封装及顶部的IHS(金属外壳),HDD为金属外壳和2.5英寸硬盘,DIM为卡槽及内存条,PSU部分用阻尼模型及热源替代;


2、各部件的的仿真参数如下:

部件单个功耗(W)数量材料/导热系数(W/m.k)
CPU1152陶瓷封装、铜外壳、基板-1W/m.k
HDD108磁性材料-60W/m.k
DIMM824卡槽-ABS、FR4
PSU302阻尼模型:A-160000,B-11,Length Scale-0.2
PCB102含铜10%、FR4 90%
Heat sink/32-铜,1-铝6061
Lan Card101双热阻-0.2K/W、50K/W

PSU的阻尼模型参数如下图所示,HDD外壳的格栅部分用70%开孔的平面阻尼模型替代,在CPU及IHS之间、IHS与Heat sink之间分别添加导热硅脂的热阻2.5e-05 K.m^2/W,分别对各部件及进出口区域设置温度监测点;



3、设置各部件的参数后,定义仿真环境温度35℃。

定义冷却介质为3M Fluorinert Electronic Liquid FC-40,进口冷却流体温度35℃,属性参数如下:密度1855 m^3/kg,粘度0.00275 kg/(m.s),比热容1100 J/(kg.K),导热系数0.065 W/(m.K),膨胀系数0.00012 1/℃。通过Fixed Flow定义冷却液的流量0.46 m^3/h,由Q=C M ∆T确定,Q是整个系统的功耗,C是冷却液的比热容,M冷却液的质量流量(kg/s),∆T是进口温升,一般取3-5℃,再取一定裕量,再定义重力方向,如下图所示;



4、网格划分,对系统网格划分,再对局部区域进行网格加密,如下图所示;



5、检查,求解,对残差曲线及监测点进行监控,温度监测点随着迭代的变化曲线如下图所示;


6、后处理,对求解完后的模型进行结果查看,对各部件进行温度监测,DIMM平均温度44.7℃,HDD平均温度42.5℃,Card温度45.7℃,CPU平均温度65.7℃。仿真后的结果如下:




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