CFD-05. Kühlung von Prozessoren. Grenzschicht.

Wir fahren mit den Beiträgen zur numerischen Strömungsmechanik (CFD) fort. In diesem Fall werden wir einen Benchmark für ein gängiges Beispiel der thermischen Analyse mit CFD durchführen, nämlich die Untersuchung der Kühlung eines Prozessors. Wir werden Acusolve mit dem Präprozessor Hyperworks CFD verwenden. Die Fallstudie ist in der untenstehenden Abbildung zu sehen.

Schematische Darstellung eines Prozessorkühlsystems

CFD-Modell

Wie in der Anleitung im Bereich Downloads erläutert, wird das Problem unter Berücksichtigung der Symmetriebedingungen gelöst, um nur einen praktisch zweidimensionalen Bereich der Höhe h/2 zu untersuchen. Geeignete Einlass- und Auslassabschnitte werden hinzugefügt, um die Stabilisierung der Strömung zu ermöglichen. Damit ergibt sich das im folgenden Bild gezeigte Rechengebiet mit einer Dicke von 5 mm, um ein 3D-Netz zur Lösung des Problems mit Acusolve zu erzeugen.

Geometrie des zu simulierenden CFD-Modells

Als Randbedingungen gelten Symmetrien auf allen Flächen mit Ausnahme derjenigen, die der Prozessorplatine entspricht, die sich im unteren Teil des zentralen Bereichs mit der Länge L befindet. Auf dieser Platine wird eine konstante Zieltemperatur von 300 K modelliert. Auf diese Weise können wir die vom System erreichte Wärmeabgabe berechnen. Eine andere Möglichkeit, die Kühlung eines Prozessors zu untersuchen, wäre, ihm eine Verlustleistung aufzuerlegen und zu untersuchen, bei welcher Temperatur sich das Bauteil stabilisiert.

Netz und Grenzschicht

Bei dieser Analyse ist es für eine genaue Erfassung der Wärmeübertragung unerlässlich, eine angemessene Grenzschicht im Netz zu erzeugen. Das in diesem Beitrag verlinkte Tutorial zeigt das Verfahren zur Schätzung einer anfänglichen Elementgröße und Wachstumsrate, um das Phänomen zu erfassen. In Acusolve wird die Grenzschicht als eine Netzsteuerung definiert, ähnlich wie eine Verfeinerungszone, jedoch mit anderen Parametern.

Kühlung des Prozessors: Ergebnisse

Nach der Simulation des Modells zeigen die Ergebnisse die Grenzschicht sowohl in den Geschwindigkeits- als auch in den Temperaturprofilen. Diese sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Temperatur- und Geschwindigkeitsergebnisse in der Studie zur Chipkühlung

Diese Simulation wird mit den analytischen Ergebnissen unter Berücksichtigung der Verlustleistung des Prozessors von etwa 91 mW verglichen. Die aus der analytischen Berechnung ermittelte durchschnittliche Austrittstemperatur stimmt gut mit der durch das simulierte Modell vorhergesagten Temperatur überein. Das Tutorial schließt mit der Berechnung der Nusselt-Zahl des Wärmetauschers und einer kurzen Untersuchung der Kräfte, die durch die Strömung auf den Platten verursacht werden, ein nützlicher Wert für andere Arten von Analysen.

Im folgenden Beitrag über CFD werden wir die verschiedenen Turbulenzmodelle diskutieren, die üblicherweise in CFD verwendet werden. Dazu werden wir uns einen gängigen Maßstab für diese Art von Simulationen ansehen, nämlich die Vorhersage der Rückströmung nach einem Schritt.

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