Méthode numériques ANSYS

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1 ESIEE PARIS Méthode numériques ANSYS AKNOUCHE Amine DRAME Daouda BEDJA Walid 1

2 ESIEE-PARIS 2015/2016 SOMMAIRE I. Description et introduction du problème II. Modélisation et expérimentations 2.1) Etude thermique pour un radiateur à 1 ailette 2.2) Etude thermique pour un radiateur à 3 ailettes 2.3) Etude thermique pour un radiateur à 5 ailettes 2.4) Etude thermique pour un radiateur à 13 ailettes 2.5) Etude thermique avec la partie ventirad III. Conclusion 1

3 I. Description et introduction du problème Le but de ce projet est d étudier le comportement thermique d un micro-processeur d ordinateur, relié à une ou plusieurs ailettes. Pour ce faire, nous allons modéliser le micro-processeur et ses ailettes sur le logiciel de simulation ANSYS et procéder à plusieurs scénarios possibles en variant différents paramètres. A partir des résultats, nous allons proposer le dispositif permettant le meilleur refroidissement possible du micro-processeur. Nous allons nous mettre selon les conditions réelles du schéma suivant : Représentation géométrique du problème Un processeur CPU en silicium dissipe environ 50W. On souhaite le refroidir à l aide d un ventirad. Dans un premier temps nous considèrerons le refroidissement du dispositif seulement par la partie radiateur du ventirad puis par la totalité du dispositif (ventilateur-radiateur). Partie Radiateur : Le processeur est fixé sur le radiateur qui n est d autre qu une base en aluminium pour lequel sont fixés une à plusieurs ailettes en aluminium. Le processeur et sa base sont de forme carrée et leurs surfaces exposées sont refroidies par de l air qui est à une température de Ta = 20 C et fournit un coefficient de convection de h= 10 W/m²/K. Le processeur, fonctionnera-t-il en-dessous de sa température maximale admissible de Tmax=100 C? Que faut-il faire pour maintenir une température acceptable? 3

4 Partie Ventirad (Radiateur+Ventilateur): Le processeur est mainteant fixé au système entier (Ventirad), dans quelle mesure l ajout du ventilateur sur la partie radiateur améliore-t-il le refroidissement du processeur? On prendra h= 200W/m²/K. On traitera le problème qu en ne faisant varier la longueur des ailettes. Dimensions: Microprocesseur : Largeur-Longueur =20mm / Epaisseur = 2mm Base : Largeur-Longueur = 40mm / Epaisseur = 6mm Ailettes : Largeur = 40mm / Epaisseur=2mm La puissance évacuée par le microprocesseur est de 50W donc le flux à travers sa paroi : Ф = 50/(0.02*0.02) = W/m². De plus un processeur a généralement des ailettes de longueurs 50-65mm. II. Modélisation et expérimentations Afin de modéliser le problème nous avons créé trois esquisses, une pour le processeur, une pour la base des ailettes et une pour la/les ailette(s). Nous avons imposé à chaque esquisse des contraintes géométriques et une extrusion à l image des données décrites dans la première partie. Nous avons également utilisé l outil «découper» afin de séparer le processeur de la base et de ses ailettes. On peut voir la représentation de la géométrie ci-dessous pour une ailette (la même méthode sera employée pour plusieurs ailettes). Géométrie du problème 4

5 Ensuite, nous générons un maillage pour le système en imposant les conditions thermiques en en spécifiant les matériaux utilisés pour l étude. Maillage Conditions limites 5

6 Choix du matériau pour le processeur Choix du matériau pour la base et les ailettes On rappelle que l équation de température dans une ailette est définie par : d²t dx hp (T Ta) = 0 λa Avec ω = hp λa = 6,6491. On sait également que pour une valeur de ωl = 2,56 l ailette permettant le refroidissement n a plus d utilité car le flux en bout de barre est quasi-nulle (adiabatique). On se basera sur cette hypothèse et sur les contraintes d encombrement pour dimensionner notre radiateur. 6

7 2.1) Etude thermique pour un radiateur à 1 ailette Après résolution du problème thermique par le logiciel ANSYS voici le profil de température dans l ailette. Représentation du radiateur à 1 ailette en 2D (ici 50mm de longueur) Représentation du radiateur à 1 ailette en 3D (ici 50mm de longueur) On obtient après variation de la longueur de l ailette, différentes températures pour le processeur représentées sur le graphique et le tableau suivants : 7

8 Température ( C) Température du processeur en fonction de la longueur de l'ailette Méthodes numériques - ANSYS Longueur (mm) Longueur (mm) Température du Microprocesseur ( C) Conditon ωl , ,26 0, ,49 0, ,57 0, ,62 0, ,27 1, ,4 1, ,96 1, ,16 2, Stagnation de la température ,14 2, ,14 2, ,63 3, Analyse : La température du processeur diminue clairement lorsque l on augmente la longueur de l ailette. Clairement une ailette n est pas suffisante pour refroidir le processeur qui pourra être refroidie au mieux jusqu à la température C, on est loin de la température admissible Tmax=100 C. De plus on remarque une stagnation de la température du processeur malgré une augmentation de la longueur de l ailette, la condition ωl est vérifié ici pour une longueur L = 385mm (ωl =2,56). Une augmentation du nombre d ailettes est donc nécessaire. 8

9 2.2) Etude thermique pour un radiateur à 3 ailettes Après résolution du problème thermique par le logiciel ANSYS voici le profil de température pour un radiateur à 3 ailettes. Représentation du radiateur à 3 ailettes en 2D (ici 50mm de longueur) Représentation du radiateur à 3 ailettes en 3D (ici 50mm de longueur) On obtient après variation de la longueur des 3 ailettes, différentes températures pour le processeur représentées sur le graphique et le tableau suivant : 9

10 Température ( C) Température du processeur en fonction de la longueur des 3 ailettes Méthodes numériques - ANSYS Longueur (mm) Longueur (mm) Température du Microprocesseur ( C) Conditon ωl , ,89 0, ,13 0, ,1 0, ,47 0, ,23 1, ,5 1, ,73 1, ,68 2, Stagnation de la température ,39 2, ,86 2, ,56 3, Analyse : On voit une amélioration dans le refroidissement du processeur mais ce n est toujours pas suffisant, en effet la condition ωl est atteinte avant que la température du processeur ne passe en dessous de la barre des 100 C. Une augmentation du nombre d ailettes est encore nécessaire. 10

11 2.3) Etude thermique pour un radiateur à 5 ailettes Après résolution du problème thermique par le logiciel ANSYS voici le profil de température pour un radiateur à 5 ailettes. Radiateur à 5 ailettes en 2D pour un refroidissement optimal du processeur (500mm de longueur) Radiateur à 5 ailettes en 3D pour un refroidissement optimal du processeur (500mm de longueur) On obtient après variation de la longueur des 5 ailettes, différentes températures pour le processeur représentées sur le graphique et le tableau suivants : 11

12 Température ( C) Méthodes numériques - ANSYS Température du processeur en fonction de la longueur de l'ailette Longueur (mm) Longueur (mm) Température du Microprocesseur ( C) Conditon ωl , ,27 0, ,3 0, ,9 0, ,12 0, ,22 1, ,13 1, ,59 1, ,32 2, Stagnation de la température ,65 2, ,17 2, ,982 3, Analyse : Grace aux 5 ailettes on arrive enfin à refroidir le processeur sous la barre des 100 C, cependant pour une longueur de 500mm! Ce qui est beaucoup trop grand pour un radiateur, l intérieur d un ordinateur qui se doit d être le moins encombré possible, ne peut pas se permettre d avoir un élément de plus de 50cm sortant de sa carte mère. Plusieurs solutions s offrent à nous, augmenter encore et toujours le nombre d ailettes ou ajouter un ventilateur qui pourra fournir un flux convectif plus important. On se contentera d augmenter le nombre d ailettes pour le moment, et nous intégrerons la deuxième solution dans une autre partie. 12

13 2.4) Etude thermique pour un radiateur à 13 ailettes Après résolution du problème thermique par le logiciel ANSYS voici le profil de température pour un radiateur à 13 ailettes. Radiateur à 13 ailettes en 2D pour un refroidissement optimal du processeur (61mm de longueur) Radiateur à 13 ailettes en 3D pour un refroidissement optimal du processeur (61mm de longueur) On obtient après variation de la longueur des 13 ailettes, différentes températures pour le processeur représentées sur le graphique et le tableau suivants : 13

14 Température ( C) Méthodes numériques - ANSYS Température du processeur en fonction de la longueur de l'ailette Longueur (mm) Longueur (mm) Température du Microprocesseur ( C) Conditon ωl , ,45 0, ,49 0, ,04 0, ,307 0, ,363 1, ,186 1, Stagnation de la température ,378 2, ,142 3, Analyse : Pour une configuration à 13 ailettes on arrive finalement à obtenir une température inférieure à Tmax=100 C pour un encombrement moindre [50-65mm]. Cependant le système peut encore être amélioré, en effet le flux convectif étant faible (convection naturelle), si l on impose un flux convectif plus important on peut certainement améliorer l encombrement. C est ce que nous essayer de faire dans la partie suivante. 14

15 2.5) Etude thermique avec la partie ventirad Nous allons maintenant étudier le comportement thermique lorsque l on relie le dispositif microprocesseur + ailettes au ventirad. Nous allons tenter de trouver la meilleure combinaison ailettes-ventirad possible pour refroidir un maximum le microprocesseur de manière optimale. Ainsi, le problème posé est le même que précédemment à la seule différence que le coefficient convectif h vaut maintenant 200 W/m²/K et que le système est situé dans un ordinateur fermé Ta=60 C. Voici les nouvelles conditions limites de cette nouvelle configuration : Conditions limites avec ventilateur Après résolution du problème thermique par le logiciel ANSYS voici le profil de température pour un radiateur à 3 ailettes et le ventilateur on a : Radiateur à 3 ailettes en 2D pour un refroidissement optimal du processeur (10mm de longueur) 15

16 Radiateur à 3 ailettes en 3D pour un refroidissement optimal du processeur (10mm de longueur) Analyse : Clairement avec un flux convectif vingt fois supérieur imposé par le ventilateur, la température Tmax=100 C du processeur est atteinte pour un encombrement moindre comparé au système sans système de ventilation (le système de ventilation ayant une longueur moyenne sur le marché de 40mm sur l axe Z). Cependant ce résultat est à prendre avec précaution, car n ayant pas fait d étude d écoulement du fluide (air) nous avons supposé uniforme la convection autour du système ce qui n est probablement pas le cas en réalité. Il aurait était nécessaire d ajouter une à plusieurs ailettes afin de passer sous la barre des 100 C pour le processeur pour s approcher au mieux du modèle réel. 16

17 III. Conclusion Après étude thermique du système de refroidissement le plus répandu pour les processeurs d ordinateur, on comprend la nécessité de ce type de système en effet on est capable de passer de températures de plus de 1300 C à moins de 100 C. Le système ventirad (radiateur+ventilateur) semble être utile que pour des ordinateurs avec boitier (donc fermé) avec des températures avoisinants les 60 C, cependant il n est pas nécessaire d utiliser un ventilateur si l ordinateur est sans boitier (ouvert) un système radiateur est suffisant. 17