随着信息产业技术的快速发展,数据中心规模越来越大,电子元件热功耗逐渐增加,由此将消耗大量的电能来对电子设备进行热管理,传统的空气冷却方式已经很难适应服务器的冷却需求,单相浸没式液体冷却方式由于其散热能力高效、安全节能的优点受到了人们的青睐。单相浸没式液冷就是将服务器的电子元件浸泡液冷机柜中,机柜中充满了一种特殊的冷却介质,通过冷却液的循环流动将热量传递出去。因此借助数值模拟软件对整机柜采用单相浸没式液冷进行数值模拟,研究液冷机柜内的流场和温度场,对改善液冷机柜内的流动,提高单相浸没式液冷的冷却效率具有重要意义。本文首先设计了包含四个服务器的液冷机柜模型,包括液冷机柜、进液口、出液口和服务器,选用冷却介质FC-40,借助Fluent软件对机柜整体进行数值模拟研究,得到了机柜内电子元件温度和机柜内的温度场与流场分布。统计了各个服务器GPU的最高温度的平均值,并以此评价各个服务器的温度情况。在进口流量比较低时,1号服务器距离出口最近,通过1号流道的冷却液流量最多,流速快,因此1号服务器温度最低;4号服务器距离出口最远,通过4号流道的冷却液流量最少,流速缓慢,因此温度较高。随着流量增加,冷却液在进入机柜底部后由于惯性作用沿着机柜后壁和侧壁形成了一个圆涡状的流动,圆涡中心是流速比较低的区域,2号流道和3号流道处在圆涡中心,获得的流量相对较少,因此2号服务器温度比较高。针对各个服务器的温度差异性,用GPU温度的标准差S来评价整机柜内电子元件温度分布的不均匀性。通过分析得出,服务器温度分布不均匀性的原因在于四个流道的流量分配不均匀性,针对流量分配不均匀的问题,在此提出了两种方式来改善流量均匀性:(a)改变进出口布置方式,(b)增加引流挡板来改善流场。改变进出口布置方式包括改变进出口位置和进出口数量。研究表明,采用U型布置时,4号服务器距离进液口和出液口都比较近,增加了通过4号流道的冷却液流量,从而降低了4号服务器器的温度;增加进口数量可以显著降低总体温度,此时Z型布置和U型布置对总体温度分布没有明显影响。增加挡板数量可以显著改善流场均匀性,降低机柜整体温度,三个挡板时比采用一个挡板总平均温度降低了0.6℃,比没有采用挡板时降低了1.4℃;挡板角度较小时温度最高,在角度为30°时冷却效果最好。针对高功率发热电子元件的温度过高的问题,采用正交试验法对散热器进行了优化分析。根据正交表设计了16个案例模型,通过数值模拟的方式得到了各案例模型的基板最高温度和基板温度标准差,基板温度最高的是案例1,温度最低的是案例4。通过极差分析和方差分析得到了散热器结构因素对基板最高温度和基板均温性影响大小。影响基板最高温度的主要因素是肋片厚度,影响基板均匀性的主要因素是基板厚度。最后综合考虑了基板最高温度、基板均温性和散热器质量三个指标,通过加权的方式得到了综合分数最高的是案例8:基板厚度5mm,肋片数量21,肋片厚度1.5mm,肋片高度30mm。最后,研究了不同冷却液对散热性能的影响,得到了冷却性能最好的单相冷却介质。选取了矿物油、硅油和FC-40、FC-43、FC-77及FC-3283四种氟化液,在冷却液进口流速相同时对其冷却性能进行了比较分析。在这几种冷却介质中,冷却效果最差的是矿物油,基板温度最高达到了77.7℃,温度差异达到了3.9℃;效果最好的是氟化液FC-3283,基板温度是54.5℃,温度标准差是2℃。