引言：
CPU从最初发展已经有四十多年的历史了，它是整个计算机系统的运算和控制核心，是计算机进行各种信息处理以及程序运算的最终执行单元。因此，CPU的性能备受关注，其中影响CPU性能的因素有本身的微架构、主频、容量大小。同架构、同核心的处理器，主频越高性能越好，基本上成正比。当然，主频越高，处理器功耗、发热越厉害，对散热要求越高。随着CPU发热越多，CPU风冷散热逐渐经济性下降[2]，CPU液冷散热逐渐出现在大众视野。液冷散热器噪音小、换热效果好、款式新颖等众多优点使之逐渐在市场上站稳。本文通过Gambit、Fluent软件进行数值模拟[3]，分析液冷散热器冷流体入口温度、入口流速、CPU功率以及流体物性对散热器的换热效果，再提出一种散热器优化结构方案优化换热效果。
1物理模型及其创建过程
1.1物理模型
为了研究换热器内流动与传热特性，本次数值模拟分析选用结构较为简单的液冷散热器，并在Gambit里创建物理模型a型和b型。与CPU直接接触的正方形的边长为20.9mm，长方体的高为6mm；进出口长方体高度为23.3mm，进出口长方体底面边长为2mm。
1.2创建过程
使用Gambit，根据1.1物理模型的尺寸创建物理模型。
第一步，绘制与CPU接触的散热器。Operation中选择体，Volume中选择Brick绘制长方体，X=0.0209，Y=0.0209，Z=0.006。
第二步，绘制进出口长方体。Operation中选择体，Volume中选择Brick绘制长方体，X=0.002，y=0.002，z=0.0233。再Move/Copy Volumes选择刚绘制的长方体，通过计算再Global处修改x、y、z的值。重复操作但Copy改为Move，且Global数值全变负。
第三步，选择Unite Real Volumes进行布尔操作变成一个体。
至此，物理模型创建完成。
2网格无关性验证
2.1网格的设计与数据处理
网络疏密对数值计算的结果影响很大，只有当网格数的增加对计算结果影响不大时，这时的数值模拟计算结果才有意义。为保证计算的可靠性，需要进行网格无关性检验。本次无关性检验，网格从疏到密共划分5套，网格数分别为2.27万、4.35万、10.57万、35.43万、82.54万。在Fluent中，分别对5套网格进行计算，整理得数据。
2.2数据分析与网格数的选取
由2.1中的数据及变化曲线可知，网格数量对数值分析的结果有很大的影响。随着网格数增加，可看出模拟各值变化十分微小，且曲线近乎平行于横轴，误差在可接受范围内即可。网格数量不是越多越好的，随着网格数量的增多，计算时间会延长[4]，浪费了一定的时间，因此网格数选取35.43万最为合适。
3数值模拟分析
3.1冷流体入口温度对散热器换热性能的影响
3.1.1问题描述及原始数据
此次分析冷流体入口温度对散热器换热性能的影响：CPU功率、冷流体入口流速（流量）保持不变，设定与CPU接触面的热通量100000w/m²,冷流体入口速度为3m/s，冷流体入口温度取值范围300~350K，每10K选取一个温度值。在Fluent中进行数值模拟分析，得到冷流体出口温度的变化，分析换热器内温度场与速度场的变化，对比分析图1中两种CPU散热器结构的换热性能。
3.1.2结果分析
将a、 b型散热器冷流体出口温度随冷流体入口温度的变化的数据导入Excel中，绘制a、b型散热器冷流体出口温度随入口温度的变化曲线。在Fluent中导出a、b散热器的速度场与温度场。
在CPU功率、冷流体入口流速（流量）保持不变的情况下，冷流体入口温度逐渐升高时，冷流体出口温度随之升高，呈线性关系。速度场温度场变化不大。并且a型散热器与b型散热器相比较，冷流体出口温度总是相差很微小，a型散热器的冷流体出口温度更小。
3.2冷流体入口流速（流量）对散热器换热性能的影响
3.2.1问题描述及原始数据
此次分析冷流体入口流速（流量）对散热器换热性能的影响：冷流体入口温度、CPU功率保持不变，设定与CPU接触面的热通量为100000w/m²,冷流体入口温度为300K，冷流体入口速度范围为1~5m/s，每1m/s取一个速度值。在Fluent中进行数值模拟分析，得到冷流体出口温度的变化，分析换热器内温度场与速度场的变化。
冷流体入口温度、CPU功率保持不变的情况下，随着冷流体入口流速的增加，冷流体出口温度逐渐降低，但3m/s之后变化不明显，且a、b型散热器两者相差不大，近乎同一条变化曲线，考虑经济性所以冷流体入口速度在2~4m/s都是比较经济的，a型散热器的速度场和温度场都是高度对称的，而b型散热器则有一点点不对称，随着速度增加a型散热器对角线处流经冷流体逐渐减少，主要向两侧流，a型散热器换热性能好一点。
3.3 CPU功率对散热器换热性能的影响
3.3.1问题描述及原始数据
此次分析分析CPU功率对散热器换热性能的影响：冷流体入口流速（流量）、冷流体入口温度保持不变，设定冷流体入口温度为300K，冷流体入口速度范围为3m/s，与CPU接触面的热通量50000~100000w/m²每10000w/m²取一个值。在Fluent中进行数值模拟分析，给出冷流体出口温度的变化，分析换热器内温度场与速度场的变化。
4总结
由以上数值模拟分析的结果可知，在控制变量的前提下，通过改变冷流体入口温度，改变冷流体入口流量，改变CPU功率，改变流体物性，改变散热器结构，可以在一定范围内增强散热器的换热效果。
通过本次CPU液冷散热器的性能分析与结构优化的数值模拟分析，从物理模型的建造，再到网格无关性的验证，再对五种不同情况下的数值模拟分析，整个过程下来，我对数值计算有了更深的领悟与计算能力，对Gambit、Fluent软件的操作都有了一定程度的提高，但经过整个过程下来，我发现此次数值模拟还是有许多不足之处，例如网格无关性的验证，可能网格数没有足够的多，冷流体入口速度是否满足层流还是紊流，翅片的传热系数及最佳尺寸，CPU功率有些许偏差，此次还有遗憾就是由于时间的缘故，未能及时掌握matlab来进行作图，只能通过Excel来作图，图不够直观，但还是感谢老师悉心指导，让我大致掌握了这两款软件的大致使用方法。
参考文献
[1]王曙光. 控制变量法——研究和解决问题的重要方法[J]. 物理教师, 2002, 023(007):14-15.
[2]唐金沙. CPU风冷散热器的实验研究及流场和温度场的数值模拟. 湘潭大学, 2009.
[3]支淼川. 电力电子设备水冷散热器的数值模拟[D]. 华北电力大学,2006. DOI:10.7666/d.y867968.
[4]冯静安, 唐小琦, 王卫兵,等. 基于网格无关性与时间独立性的数值模拟可靠性的验证方法[J]. 石河子大学学报(自科版), 2017, 35(001):52-56.
[5]刘彦丰.传热学[M].北京:中国电力出版社,2015.