CFD-05. Refroidissement du processeur. Couche limite.

Nous continuons avec les entrées relatives à la Dynamique des Fluides Numériques (CFD). Dans ce cas, nous allons réaliser un benchmark d’un exemple courant d’analyse thermique utilisant la CFD, l’étude du refroidissement d’un processeur. Pour ce faire, nous utiliserons Acusolve avec le pré-processeur Hyperworks CFD. L’étude de cas est présentée dans l’image ci-dessous.

Schéma du système de refroidissement d'un processeur

Modèle CFD pour le problème

Comme expliqué dans le tutoriel, disponible dans notre section Téléchargements, le problème va être résolu en considérant les conditions de symétrie pour étudier seulement un domaine pratiquement bidimensionnel de hauteur h/2. Pour l’étude de l’écoulement, des sections d’entrée et de sortie appropriées sont ajoutées pour permettre la stabilisation de l’écoulement. Le domaine de calcul est ainsi représenté dans l’image suivante avec une épaisseur de 5 mm pour générer un maillage 3D afin de résoudre le problème avec Acusolve.

Géométrie du modèle CFD à simuler

Comme conditions limites, des symétries sont placées sur toutes les faces à l’exception de celle correspondant à la carte processeur, qui est située dans la partie inférieure de la zone centrale, de longueur L. Une température cible constante de 300K sera modélisée sur cette carte. Nous pouvons ainsi calculer la dissipation thermique obtenue par le système. Une autre option pour étudier le refroidissement d’un processeur serait de lui imposer une puissance dissipée et d’étudier à quelle température le composant se stabilise.

Maillage et couche limite

Dans cette analyse, afin de bien capturer le transfert de chaleur, il est essentiel de créer une couche limite adéquate dans le maillage. Le tutoriel lié à cet article montre le processus d’estimation de la taille initiale des éléments et du taux de croissance pour capturer le phénomène. Dans Acusolve, la couche limite est définie comme un contrôle de maillage, similaire à une zone de raffinement mais avec des paramètres différents.

Refroidissement du processeur : Résultats

Après avoir simulé le modèle, les résultats montrent la présence d’une couche limite dans les profils de vitesse et de température. Ceux-ci sont illustrés dans l’image suivante.

Résultats sur la température et la vitesse dans l'étude sur le refroidissement des puces

Cette simulation est comparée aux résultats analytiques en tenant compte de la puissance dissipée dans le processeur d’environ 91mW. La température moyenne de sortie obtenue à partir du calcul analytique correspond bien à celle prédite par le modèle simulé. Le tutoriel se termine par le calcul du nombre de Nusselt de l’échangeur de chaleur et une brève étude des forces causées par l’écoulement sur les plaques, une valeur utile dans d’autres types d’analyse.

Dans l’article suivant, consacré à la CFD, nous examinerons les différents modèles de turbulence couramment utilisés en mécanique des fluides numérique. Pour ce faire, nous examinerons un point de référence courant dans ce type de simulations, à savoir la prédiction de l’écoulement inverse après une étape.

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