浸没式冷却-散热技术新趋势，一起学Flotherm电子元器件散热仿真

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了浸没式冷却在电子设备散热中的应用，以及使用FloTHERM软件进行单台服务器浸没冷却仿真的步骤。通过仿真结果可以发现，浸没式冷却的效率远高于风冷式散热，具有节能、降低噪声、无需大幅度更改电子设备结构等优势。讲师Shura在仿真秀平台发布了一套精品课《FloTHERM电子元器件热仿真13讲》，课程内容包括FloTHERM软件的基本原理、操作流程、实例分析等，适合热设计/仿真仿真工程师、理工科院相关专业学生和结构设计工程师学习。

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“绿色数据中心白皮书”。

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）
CPU	115	2	陶瓷封装、铜外壳、基板-1W/m.k
HDD	10	8	磁性材料-60W/m.k
DIMM	8	24	卡槽-ABS、FR4
PSU	30	2	阻尼模型：A-160000，B-11，Length Scale-0.2
PCB	10	2	含铜10%、FR4 90%
Heat sink	/	3	2-铜，1-铝6061
Lan Card	10	1	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：

7、参数优化，可以通过仿真后的结果对散热器参数、进口流量等进行优化，使整个系统设计最优化。

通过对1U服务器的热仿真，可以发现浸没式冷却的效率远高于风冷式散热，直接可以使用环境温度的流体，不需要额外的制冷，浸没式散热数据中心PUE可至1.1以下，在节能的同时还能减小风扇产生的噪声,对于电子设备本身结构也无需大幅度更改。由于浸没式冷却的众多优势，在未来的技术发展中，其必然会大放异彩。

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