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故事摘要

摘要:?隨著云計算、大數據、人工智能技術的飛速發展，對大數據的計算與存儲的要求也越來越高，服務器的功率密度急劇攀升，傳統的風冷散熱方式瓶頸已經凸顯，液冷技術逐漸登上舞臺，成為服務器、數據中心的主角。本文主要簡述了運用Simcenter? Flotherm? 軟件進行服務器的液冷 (冷板式)散熱仿真和優化分析。

關鍵詞:?服務器；風冷；液冷仿真；冷板式

引言

冷板式液冷的原理：利用流體作為熱量傳輸的媒介，將熱量傳遞到遠端再進行散熱，冷卻后的液體再次流到發熱元件，如此循環往復。顯而易見，水冷板是整個水冷系統最關鍵的部件，其效率的高低決定了整個散熱系統的散熱能力。本文簡述了應用Simcenter Flotherm軟件進行服務器的液冷 (冷板式)散熱仿真，通過對冷板內部Fin片的不同參數進行仿真對比尋找最優方案。

冷板

1 乘員艙熱舒適性模型

冷板即電子元件的熱交換器。冷板技術就是通過銅、鋁等高導熱金屬制成的密閉腔體，將發熱元件的熱量間接傳遞給在密閉的循環管路中的冷卻液體，最終借助冷卻液將熱量帶走。

冷板的組成：典型的冷板一板由蓋板、Fin片、底板和側壁等部分組成，其結構形式如上圖所示。

冷板的散熱主要與冷卻液的流量和物性參數，冷板內的換熱面積，以及冷板內Fin片的設計相關。為了確保元件的熱被冷卻液盡量的全部帶走，冷板的內部設計就顯得尤為重要。

2 理論分析

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

Q-元件的熱功耗；m-流體的質量流量=pv；Cp-流體的比熱容；

從公式可以看出影響傳熱的因素：流體的物性參數(密度，比熱)，流速等等。故從成本與傳熱性能考慮，去離子水是理想的傳熱流體。

牛頓冷卻定律:?Q=h*A*(Tw-Tf)*η0

h-對流換熱系數；A-表面積；Tw-物體表面溫度；Tf-流體溫度；η0-冷板效率。

冷板效率公式:?η0=1-(A1/A)* (1-?ηf)

由此可見，冷板的散熱主要與冷卻液的流量物性參數（密度，比熱)、冷板的換熱面積、冷板內部Fin片的設計有關。

故本文主要針對冷卻液選擇去離子水+20%乙二醇 (防凍液) ，Fin片內部采用平行Fin (與流道方向平行)設計，通過5種不同的Fin厚度與Pith的設計方案，選擇最優設計方案。

3 冷板設計規格

4 冷板模型建立

散熱仿真軟件的幾何建模能力遠不如專業的結構畫圖軟件，而且越復雜的結構，耗費的計算時間越長。因此建模的關鍵在于對實際的元件結構進行合理的簡化，在保證仿真建模的準確度的同時，盡可能的簡化模型。為減少計算時間和能更加直觀的觀察傳熱的情況和規律，冷板式散熱仿真只針對CPU和水冷板以及管路進行模型建立。

1)CPU(采用Intel散熱仿真的標準Flotherm模型進行散熱仿真)；

3)管路采用enclosure進行建模，材料屬性: Cu (參數如下圖所示）

4)為保證CPU與冷板更好接觸，需增加導熱膏(厚度0.1mm);

5)對CPU/管路進出水口進行溫度和流量的監控；

6)對整體模型機型網格優化與檢查。

(整體模型如下圖所示)

5 網格劃分

在網格劃分中，針對流速、溫度變化較大的區域進行網格的加密，對于流速、溫度變化平緩的區域，網格可以稀疏。這樣的設置既可以滿足計算的精確度又不會因為網格太多，造成求解效率過低。

為了能準確的捕捉水冷板的流場和邊界層信息，流道的網格需要局部加密；

尤其是水冷板中Fin片 (Fin片與Fin至少要有1-2網格切割) ;

導熱膏厚度的方向至少3-4個網格切割；

6 模型邊界條件設置

1)水冷板仿真是氣液共存的狀態需要把氣液進行Volume Region進行隔離 (冷卻液的流道需要與氣體進行Region隔離) ;

2)在進水管端口設置等截面的Fixed Flow，提供進液流量 (設置如下圖)。

7 仿真結果與分析

1) 收斂的標準

隨著迭代計算的進行，參數殘差值穩定在某一數值并且監控點的數值不隨迭代次數的增加而變化。

2) 溫度、速度、壓力分布云圖:

3) 仿真數據

t: Fin片厚度，p: Pitch (mm) Fin片高度固定為3mm

從仿真結果看：方案 (兩CPU串聯) 相比傳統結構，方案最優 (CPU1溫度最低，且CPUO與CPU1溫差在5C之內，流阻比方案1-傳統結構低6.3Kpa)。

總結

從仿真數據可以看出，串聯的CPU冷板方案類似于前后布置的CPU風冷方案，需要在fin厚以及pitch (間距)之間做到平衡，在滿足客戶溫差要求的范圍內做到流阻最小，同時還要滿足Tcase的溫度要求，這需要我們不斷調整前后冷板的fin厚和pitch間距，尋找fin片的最優化方案。

參考文獻

李波 Flotherm軟件基礎與應用實例 (第二版)

李潔 液冷革命一項改變數據中心的黑科技

西門子總結與點評

《基于 Flotherm 軟件的服務器液冷散熱仿真分析》論文點評文:

隨著大數據、云計算的快速發展，讓人類的生活日趨便捷，也讓世界更加互聯，這就需要越來越多的計算能力。而追求高計算能力的同時，將直接導致芯片功耗及散熱成為新的挑戰。液冷技術又分為全覆蓋式冷板液冷和浸沒式液冷，目前全覆蓋式冷板液冷技術較為成熟，浸沒式液冷剛起步，還存在很多問題需要解決，比如密封的問題和電子冷卻液的問題。論文中聯想服務器熱設計部門的工程師，采用Simcenter?? Flotherm? 對冷板式液冷服務器進行了散熱仿真和優化分析，通過對冷板內部Fin片的不同參數進行仿真對比，找到了最優的方案。在模型的處理上，客戶通過Simcenter Flotherm的網格劃分，針對流速、溫度變化較大的區域進行網格的加密，對于流速、溫度變化平緩的區域，網格可以稀疏處理，這樣平衡了計算的規模和流體計算的精度。通過5種方案的計算，通過不斷調整前后冷板的Fin厚度和Pitch的間距，在滿足客戶溫差要求的范圍內，做到流阻最小同時滿足芯片結溫的要求。目前工程師還是通過個人經驗結合Simcenter Flotherm熱仿真的能力，進行了優化分析，未來可以更進一步接觸Simcenter Flotherm自帶的優化仿真分析功能，自動通過DOE或者響應面優化的方法，對Fin尺寸進行更佳的優化，同時Simcenter Flotherm還能夠跟HEEDS相結合，進行設計空間探索，能夠更輕松、更快速的進行熱仿真的優化迭代，自動進行尋優熱設計，對提升工程師仿真能力和效率都非常有效。

本文作者:

西門子數字化工業軟件

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