CFD有助于空气子弹瞄准电子冷却

由Ralph Remsburg，首席技术官员，电子包装员工，圣地亚哥，加州

空气子弹是冷却空气的小脉冲，它被传导到特定的部件而不破坏风扇的气流。Influent公司和电子封装协会的研究人员证实，并行计算流体动力学(CFD)工具可以预测空气子弹设计中的空气流动和温度行为的细微差别。

脉冲空气子弹包在飞行过程中，要吸入越来越多的空气。

子弹通过特殊的执行器通过旨在以受控方式限制空气喷射的端口来发射。电动活塞在致动器的内腔内振荡，在活塞的每一侧将空气向外和向内推动通过壳体中的端口。由活塞的推动赋予的速度必须足以使空气脉冲脱落致动器端口并向外行进。由于每个新中风通过一个端口或其他端口分配可用的空气子弹，因此不会浪费动作。

当它远离端口移动时，空气的脉动射流被“夹带”放大。夹带是高速空气脉冲之间的摩擦结果，随着它们的移动和周围的固定空气。这种摩擦产生沿每个脉冲的旋转涡旋，使静止围绕空气夹带到脉动喷射中。实际上，涡流将脉冲的能量变换为由宽松的空气锥形符号化的增加的流速。移动空气的整体质量和冷却势实际上随着距离而增加。当考虑尺寸和功耗时，空气喷射系统可以多次大于等效风扇阵列的冷却效率。

CFD分析可以预测空气弹设计将提供的热和流动性能。Mentor Graphics的FloEFD并行CFD分析软件适合执行这些模拟。impact和Electronics Packaging Associates团队选择了该软件来验证他们的空气子弹冷却器概念。

为了验证商业CFD包是否可以正确预测夹带量和流动分歧，该团队将FLOEFD模型输出与台式实验的结果进行了比较。喷射端口和执行器外壳被建模以允许考虑各种端口配置。CFD工具允许它们设置边界条件选项，例如速度和压力。使用任何这些参数以及脉冲频率和端口配置（直径和边缘轮廓）提供了足够的模型输入来实现可用的流场输出。致动器的内部动力学和体积，并且不必考虑行程长度。

CFD模型 - 流动轨迹
这显示了CFD模型的流动轨迹在正弦脉冲周期中的八个时间点处在十字流平面中。框架B显示了在左边缘处于形成的涡旋对。帧C描绘了最大端口速度，80m / s的活动，而帧E在行程速度为0 m / s时捕获行程的中点的视图。在框架H中，较低涡流已经消散，速度再次返回到0 m / s。涡旋对的上半部和下半部显示出不断变化的差异，因为它们的能量在夹带上消耗并通过与环境空气的摩擦减少。由FLOEFD CFD分析（框架A-H）计算的轨迹与台式测量结果紧密匹配。仿真结果跟踪了台式实验。工程团队通过定义从脉冲流到从端口下游的任何距离处的中心线速度的函数来定义从脉冲流到随机流程的时间平均转换来派生两个之间的关系。该测试和其他证明CFD工具可以可靠地指导空气子弹系统的设计工作。

在评估项目中，基本网格包含约747,000个细胞，其中细胞大小根据模型每个区域所需的分辨率缩放。在所有模型中，脉冲频率设定为50Hz，计算的时间步长为0.000025秒（每个空气脉冲800阶段）。最早的测试之一是作为与端口开口距离的函数的估计流分歧。

下一步是模拟在现实世界中工作的空气子弹实施。理论上，足够容量的致动器可以通过歧管和多个端口驱动冷却空气脉冲。设计团队是为了确认这个理论，并为位于1U机架服务器后部的16个双线内存模块（DIMM）的银行创建专用冷却源。

模拟这些元素不是简单地像往常进入材料和几何的问题。由于执行器以50 Hz运行，因此CFD分析需要非常精细的时间步骤：25微秒。但是硬件组件的热反应遵循不同的时间尺度。具有散热器的基本组件可能需要10分钟才能稳定。这相当于24,000,000次迭代，可能要求每分钟向上计算。

了解这一点，设计团队选择将其模型中的固体组件的特定散热性降低到实际值的1/1000。这降低了热反应时间，并且除以1000次没有影响最终温度结果。

结果 - 来自CFD-仿真
CFD模拟结果“b”带有喷气机的最大DRAM壳体温度为101.1°C，超过设备额定值。随着喷气机活跃，最大壳体温度降至81.5°C，减少19.6℃。所有DRAM的平均温度降低为11.2°C。

在模拟“A”中，电路板安装的近端包含12个喷嘴，在安装在15w IC封装顶部的散热片之间发射脉冲空气。喷射脉冲以50赫兹的频率发射，就像早期的夹带实验一样，峰值速度为30米/秒。在有无虚拟喷气机的情况下进行了仿真。最终，CFD模型显示，脉冲射流的最大温度上升55°C，对流冷却的最大温度上升195°C。FloEFD工具的测试结果优于台架测试，台架测试的温度上升了59℃，所有dram的平均温度下降了11.2℃。

airflow-and-temperature-analysis-models
气流和温度分析FloEFD并行CFD工具所使用的模型。