液浸冷却

分类: 热解析 | 综合版 2026-04-06

CAE visualization for immersion cooling theory - technical simulation diagram

液浸冷却

液浸冷却的理论基础

概要

🧑‍🎓

老师！今天是讲液浸冷却的对吧？那是什么东西呢？

🎓

电子设备浸入冷却液中。数据中心冷却的新趋势。单相/两相。

🧑‍🎓

听到这里，电子设备浸入冷却液中为什么如此重要，我终于理解了！

支配方程

$$ q=h_{boiling}(T_w-T_{sat}) $$

$$ \text{Single-phase/Two-phase} $$

🧑‍🎓

老师的说明很容易理解！关于液浸冷却的疑惑总算化解了。

离散化方法

🧑‍🎓

这个方程在计算机中具体是如何求解的呢？

🎓

采用有限元法（FEM）进行空间离散化。组装要素刚度矩阵，构造总体刚度方程。

🎓

进行（弱形式）转换，使用试验函数和形状函数，采用Galerkin法进行表述。要素类型的选择（低阶要素 vs. 高阶要素、完全积分 vs. 低阶积分）与解的精度和计算成本的权衡直接相关。

矩阵求解算法

🧑‍🎓

矩阵求解算法具体是什么意思呢？

🎓

通过直接法（LU分解、Cholesky分解）或迭代法（CG法、GMRES法）求解线性方程组。对于大规模问题，带预处理的迭代法是有效的。

求解法	分类	内存使用量	适用规模
LU分解	直接法	O(n²)	小至中等规模
Cholesky分解	直接法（对称正定）	O(n²)	小至中等规模
PCG法	迭代法	O(n)	大规模
GMRES法	迭代法	O(n·m)	大规模、非对称
AMG预处理	预处理	O(n)	超大规模

🧑‍🎓

也就是说，如果在有限元法的地方偷工减料，后来会吃大亏。我要深记在心！

商用工具中的实现

🧑‍🎓

那么，进行液浸冷却的话可以使用什么软件呢？

工具名	开发者/现在	主要文件格式
Ansys Mechanical（前ANSYS Structural）	Ansys Inc.	.cdb, .rst, .db, .ans, .mac
Ansys Fluent	Ansys Inc.	.cas, .dat, .msh, .jou
Simcenter STAR-CCM+	Siemens Digital Industries Software	.sim, .java, .csv
COMSOL Multiphysics	COMSOL AB	.mph

供应商系统及产品整合过程

🧑‍🎓

各个软件的成立过程，有过什么戏剧化的事件吗？

Ansys Mechanical（前ANSYS Structural）

🧑‍🎓

请为我讲解"Ansys Mechanical"！

🎓

1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI)开发。基于APDL（Ansys Parametric Design Language）。

现隶属于：Ansys Inc.

Ansys Fluent

🧑‍🎓

接下来是Ansys Fluent的内容吧。讲的是什么呢？

🎓

由Fluent Inc.开发。2006年被ANSYS收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

现隶属于：Ansys Inc.

🧑‍🎓

老师的说明很容易理解！工具名的疑惑总算化解了。

Simcenter STAR-CCM+

🧑‍🎓

接下来是Simcenter STAR的内容吧。讲的是什么呢？

🎓

由CD-adapco开发。2016年被Siemens收购，整合入Simcenter品牌。多面体网格为特点。

现隶属于：Siemens Digital Industries Software

🧑‍🎓

哇，开发的故事太有趣了！请继续讲。

文件格式与互操作性

🧑‍🎓

不同软件之间交换数据时有什么注意事项吗？

格式	扩展名	类型	概述
STEP	.stp/.step	中立CAD	符合ISO 10303的3D CAD数据交换格式。支持形状+PMI。
IGES	.igs/.iges	中立CAD	早期的CAD数据交换标准。曲面数据的兼容性存在问题。逐渐迁向STEP。

🎓

在不同求解器间转换模型时，需要注意要素类型的对应关系、材料模型的兼容性、荷载和边界条件的表达差异。特别是，高阶要素和特殊要素（内聚要素、用户定义要素等）往往不能直接在求解器间转换。

🧑‍🎓

原来如此…文件格式看起来简单，其实非常深奥。

实务注意事项

🧑‍🎓

有什么"现场的经验"之类的教科书没有的东西吗？

🎓

网格收敛性的确认、边界条件的合理性验证、材料参数的敏感性分析是极其重要的。

🎓

网格依赖性验证：至少用3个网格密度水平确认收敛性

边界条件的合理性：设置物理上有意义的约束条件

结果的验证：与理论解、实验数据、已知基准问题进行比较

🎓

好的，加油！实际动手是最好的学习方式。有什么不懂的地方随时可以来问。

Coffee Break 趣味话题

液浸冷却的传热系数比空冷高50～1000倍

电子设备直接浸入绝缘液体中的液浸冷却，单相液浸实现空冷的50～100倍、相变（沸腾）液浸实现500～1000倍的传热系数。Nukiyama沸腾曲线（1934年）所示的核沸腾区域（热通量10～100 W/cm²）效率最高，超过极限热流（CHF）则传热急剧恶化。3M的Novec系列具有约为水3倍的CHF值，在液浸冷却工作流体中得到广泛采用。

液浸冷却的数值计算方法

数值方法详解

🧑‍🎓

具体是用什么算法来求解液浸冷却的呢？

🧑‍🎓

等等等等，液浸冷却的数值是指，也就是说即使是这样的情况也能用吗？

离散化公式化

🎓

利用形状函数 $N_i$ 来近似未知量：

$$ u^h(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} N_i(\mathbf{x}) \, u_i $$

🎓

用式子表达的话是这样的。

$$ K_e = \int_{\Omega_e} B^T \, D \, B \, d\Omega \approx \sum_{g=1}^{n_g} w_g \, B^T(\xi_g) \, D \, B(\xi_g) \, |J(\xi_g)| $$

基本方程离散形式

🎓

用式子表达的话是这样的。

$$ q=h_{boiling}(T_w-T_{sat}) $$

$$ \text{Single-phase/Two-phase} $$

🧑‍🎓

唔，只看式子的话不太能理解… 这是什么意思呢？

🎓

连续体的支配方程离散化后得到以下代数方程组：

$$ [K]\{u\} = \{F\} $$

🎓

其中$[K]$是全体刚度矩阵（或相当的系统矩阵），$\{u\}$是未知节点变量向量，$\{F\}$是外力向量。

🧑‍🎓

啊，我明白了！连续体的支配方程就是这样一个机制呀。

要素技术

🧑‍🎓

虽然听过"要素技术"，但可能还没有正确理解…

要素类型	阶数	节点数(3D)	精度	计算成本
四面体1阶	线性	4	低（剪切锁定）	低
四面体2阶	二阶	10	高	中
六面体1阶	线性	8	中	中
六面体2阶	二阶	20	非常高	高
棱柱	线性/二阶	6/15	中～高	中

积分方案

🧑‍🎓

积分方案具体是什么意思呢？

🎓

完全积分：准确积分全部项。易出现刚度过大评价的倾向（锁定）

低阶积分减少积分点数。提高计算效率，但存在产生沙漏模式的风险

选择性低阶积分（B-bar法）：分离体积项和偏差项进行积分。避免锁定

🧑‍🎓
听到这里，要素类型为什么重要，我终于理解了！

收敛性与稳定性

🧑‍🎓
不能收敛的话，首先要检查什么？

🎓

h-细化：细分网格（减小要素尺寸 h ）来提高精度

p-细化：提高要素多项式次数来提高精度

hp-细化：同时最优化 h 和 p

🎓
收敛速度：二阶要素以 $O(h^2)$ 的数量级减小误差（光滑解的情况）

🧑‍🎓
原来如此…细分网格看起来简单，其实非常深奥。

求解器设置建议

🧑‍🎓
具体是用什么算法来求解液浸冷却的呢？

参数推荐值备注

迭代法收敛判定 $10^{-6}$ 残差范数标准

预处理方法 ILU(0) or AMG 根据问题规模

最大迭代次数 1000 未收敛时需重新设置

内存模式 In-core 尽可能使用

线性要素 vs 2阶要素

热传导解析中线性要素通常能提供足够的精度。温度梯度急变的区域（热冲击等）推荐使用2阶要素。

热流通量的评估

从要素内温度梯度计算。与节点应力相同，在需要时进行平滑处理。

对流-扩散问题

Peclet数较高（对流控制）时，需要迎风稳定化（SUPG等）。纯热传导问题不需要。

瞬态解析的时间步长

热扩散的特征时间 $\tau = L^2 / \alpha$（$\alpha$：热扩散率）应选用足够小的步长。急剧温度变化时自动时间步长控制有效。

非线性收敛

温度依赖物性值的非线性通常较缓和，直接迭代法（Picard迭代）往往充分。放射的强非线性推荐使用牛顿法。

定常解析的判定

全节点温度变化在阈值以下（$|\Delta T| / T_{max} < 10^{-5}$等）时判定为收敛。

参数	推荐值	备注
迭代法收敛判定	$10^{-6}$	残差范数标准
预处理方法	ILU(0) or AMG	根据问题规模
最大迭代次数	1000	未收敛时需重新设置
内存模式	In-core	尽可能使用

液浸冷却的实际应用

液浸冷却的实际应用

🧑‍🎓
老师，请为我讲解"实际应用指南"！

🎓
液浸冷却的实际解析流程和注意点。

🧑‍🎓
听到这里，液浸冷却的实务解为什么重要，我终于理解了！

解析流程

🧑‍🎓
从最初的一步开始教我！首先要做什么？

🎓
1. 预处理（Pre-processing）

CAD数据导入和形状简化

材料特性定义

网格生成（要素类型·尺寸的决定）

边界条件和荷载条件的设置

🎓
2. 求解（Solving）

求解器设置（求解方法、收敛基准、输出控制）

作业投入和计算执行

收敛监视

🎓
3. 后处理（Post-processing）

结果的可视化（位移、应力、其他物理量）

结果的验证和合理性确认

报告编制

网格生成的最佳实践

🧑‍🎓
网格的好坏怎样判断？

要素品质指标

🧑‍🎓
请为我讲解"要素品质指标"！

指标理想值许可范围影响

纵横比 1.0 < 5.0 精度降低

雅可比行列式比 1.0 > 0.3 要素退化

翘曲 0° < 15° 精度降低

歪斜度 0° < 45° 收敛性恶化

锥度比 0 < 0.5 精度降低

网格密度的决定

🧑‍🎓
网格密度的决定具体是什么意思呢？

🎓

应力集中部：配置至少3层以上的要素

应力梯度大的区域：要素尺寸设为周围的1/3～1/5

荷载印加点附近：局部细分

远方区域：粗网格确保计算效率

边界条件设置指南

🧑‍🎓
听说边界条件错了的话，全部都废了…

🎓

注意过约束：刚体运动的约束仅为6自由度

对称条件的活用：减少计算规模

荷载的等价分配：集中荷载 vs. 分布荷载的选择

🧑‍🎓
啊，我明白了！注意过约束是这样的机制呀。

商用工具的实现步骤

🧑‍🎓
有各种各样的软件吧？请分别讲讲它们的特点！

工具名开发者/现在主要文件格式

Ansys Mechanical（前ANSYS Structural） Ansys Inc. .cdb, .rst, .db, .ans, .mac

Ansys Fluent Ansys Inc. .cas, .dat, .msh, .jou

Simcenter STAR-CCM+ Siemens Digital Industries Software .sim, .java, .csv

COMSOL Multiphysics COMSOL AB .mph

Ansys Mechanical（前ANSYS Structural）

🧑‍🎓
请为我讲解"Ansys Mechanical"！

🎓
1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI)开发。基于APDL（Ansys Parametric Design Language）。

现隶属于：Ansys Inc.

Ansys Fluent

🧑‍🎓
接下来是Ansys Fluent的内容吧。讲的是什么呢？

🎓
由Fluent Inc.开发。2006年被ANSYS收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

现隶属于：Ansys Inc.

🧑‍🎓
老师的说明很容易理解！工具名的疑惑总算化解了。

常见失败及对策

🧑‍🎓
初学者容易犯什么样的失败？想事先了解一下！

症状原因对策

计算不收敛网格品质不良、不适当的边界条件网格改善、约束条件调整

应力异常大应力奇点、网格依赖奇点回避、局部网格细分

位移非现实材料常数错误、单位系统不一致确认输入数据

计算时间过长不必要的细分、低效求解法网格最优化、并行计算

质量保证检查清单

🧑‍🎓
有什么"现场的经验"之类的教科书没有的东西吗？

🎓

用3个以上的网格水平确认网格收敛性了吗

验证了力的平衡（反力合计）吗

确认了结果在物理合理范围内吗

与已知的理论解或基准问题进行了比较吗

🎓
好的，加油！实际动手是最好的学习方式。有什么不懂的地方随时可以来问。

Coffee Break 趣味话题

微软在北海道沿岸进行海中数据中心实证

微软的Project Natick是2018～2020年在苏格兰沿岸86米海底沉放包含860台服务器的集装箱，进行了2年的实证实验。故障率比陆地数据中心低1/8，据称是海水冷却的自然液浸效果和无人环境的振动·湿度控制所致。液浸冷却的商用案例中，2023年时止SBTech（体育博彩）、Blockchain.com等采用了GRC公司系统。

液浸冷却的软件比较

商用工具比较

🧑‍🎓
有各种各样的软件吧？请分别讲讲它们的特点！

🎓
支持液浸冷却的主要商用CAE工具的功能比较，以及各产品的历史背景。

支持工具列表

🧑‍🎓
那么，进行液浸冷却的话可以使用什么软件呢？

工具名开发者/现在主要文件格式

Ansys Mechanical（前ANSYS Structural） Ansys Inc. .cdb, .rst, .db, .ans, .mac

Ansys Fluent Ansys Inc. .cas, .dat, .msh, .jou

Simcenter STAR-CCM+ Siemens Digital Industries Software .sim, .java, .csv

COMSOL Multiphysics COMSOL AB .mph

Ansys Mechanical（前ANSYS Structural）

🧑‍🎓
请为我讲解"Ansys Mechanical"！

🎓
1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI)开发。基于APDL（Ansys Parametric Design Language）。

现隶属于：Ansys Inc.

Ansys Fluent

🧑‍🎓
接下来是Ansys Fluent的内容吧。讲的是什么呢？

🎓
由Fluent Inc.开发。2006年被ANSYS收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

现隶属于：Ansys Inc.

🧑‍🎓
听到这里，开发为什么重要，我终于理解了！

Simcenter STAR-CCM+

🧑‍🎓
接下来是Simcenter STAR的内容吧。讲的是什么呢？

🎓
由CD-adapco开发。2016年被Siemens收购，整合入Simcenter品牌。多面体网格为特点。

现隶属于：Siemens Digital Industries Software

COMSOL Multiphysics

🧑‍🎓
请为我讲解"COMSOL Multiphysics"！

🎓
1986年在瑞典成立。作为MATLAB联动的FEMLAB启动，后改名为COMSOL。在多物理场方面有强项。

现隶属于：COMSOL AB

🧑‍🎓
啊，我明白了！开发就是这样的机制呀。

功能比较矩阵

🧑‍🎓
预算和时间都有限，成本效益最高的是哪个？

功能 Ansys Mechanical Fluent Star-CCM+ COMSOL

基本功能 ○ ○ ○ ○

高级功能 ○ ○ ○ △

自动化/脚本 ○ ○ ○ ○

并行计算 ○ ○ ○ ○

GPU支持 △ △ △ ○

转换时的风险

🧑‍🎓
转换时的风险具体是什么意思呢？

🎓

要素类型的不兼容：求解器固有要素不能用中立格式表达

材料模型的差异：即使同名，内部实现也会有所不同

边界条件的重新定义：很多情况下需要手动重新设置

结果数据的比较：输出变量的定义（节点值 vs. 要素值、积分点值）有差异

🧑‍🎓
啊，我明白了！不同工具间的模就是这样的机制呀。

许可证形式

🧑‍🎓
虽然听过"许可证形式"，但可能还没有正确理解…

工具许可证特点

商用FEA 节点锁定/浮动价格昂贵但提供官方支持

OpenFOAM GPL 免费但支持需收费

COMSOL 节点锁定/浮动按模块购买

Code_Aster GPL EDF开发的OSS求解器

选择指南

🧑‍🎓
最后，选哪一个，能给我判断标准吗？

🎓
在液浸冷却工具选择中考虑以下因素：

🎓

解析规模：数万～数亿自由度的可扩展性

物理模型：所需的本构关系·要素类型的对应状况

工作流程：与CAD的连接、自动化的容易程度

成本：初期投资 + 年度维护 + 教育成本

支持：技术支持的质量和响应速度

🎓
好的，加油！实际动手是最好的学习方式。有什么不懂的地方随时可以来问。

Coffee Break 趣味话题

LiquidStack公司为全球最大的两相液浸冷却制造商

作为两相液浸冷却专业制造商，2020年从Spencer公司独立的LiquidStack（总部：德克萨斯州）是全球最大的制造商，截至2023年在全球30多个国家有装机实绩。竞争对手Submer（西班牙）以OpenComputeProject标准的开放设计开拓欧洲市场。国内方面，富士通于2021年在石川县开设了液浸冷却数据中心，公布了PUE 1.04。ASHRAE TC9.9于2023年正式发布了液浸冷却的设计指南。

液浸冷却的先端研究

先端课题与研究动向

🧑‍🎓
液浸冷却这个领域以后会怎样进化呢？

🎓
液浸冷却的最新研究动向和先进手法。

🧑‍🎓
等等等等，液浸冷却的最新是指，也就是说即使是这样的情况也能用吗？

最新的数值方法

🧑‍🎓
接下来是最新数值方法的话题吧。讲的是什么呢？

🧑‍🎓
唔，只看式子的话不太能理解… 这是什么意思呢？

🎓

等几何解析（IGA）：直接利用NURBS基函数，实现CAD-CAE间的无缝连接

粒子法（SPH, MPM）：无网格方法用于大变形·破坏的追踪

相场法（Phase-Field）：通过界面的隐式表示实现复杂界面追踪

机器学习支持：代理模型、物理信息神经网络（PINN）

高性能计算（HPC）的应对

并行化方法概述适用求解器

MPI（域分割）分布式内存型。大规模问题的标准全主要求解器

OpenMP 共享内存型。节点内并行众多求解器

GPU（CUDA/OpenCL） GPGPU活用。特别对显式法有效 LS-DYNA, Fluent等

混合MPI+OpenMP 节点间+节点内并行大规模HPC环境

液浸冷却的故障处理

液浸冷却的故障处理

常见错误及对策

🧑‍🎓
老师也在液浸冷却上熬过夜进行debug吗？（笑）

1. 收敛失败

🧑‍🎓
收敛失败具体是什么意思呢？

🎓
症状：求解器在指定反复次数内无法收敛而异常终止

🎓
可能的原因：

网格品质不足（过度扭曲的要素）

材料参数设置不当

不适当的初始条件

非线性性过强（荷载步不足）

🎓
对策：

进行网格品质检查（纵横比、雅可比行列式）

确认材料参数的单位系

分割荷载为多个步骤（增加子步数）

放宽收敛判定基准（但注意精度）

🧑‍🎓
也就是说，如果在收敛失败的地方偷工减料，后来会吃大亏。我要深记在心！

2. 非物理的结果

🧑‍🎓
接下来是非物理结果的话题吧。讲的是什么呢？

🎓
症状：应力/位移/温度等呈现非物理的非现实值

🎓
可能的原因：

边界条件设置误

单位系混用（SI单位和工程单位的混用）

不适当的要素类型选择

应力奇点的存在

🎓
对策：

确认反力合计（力的平衡）

确认单位系的一致性

重新考虑要素类型的适切性

奇点的除去或子建模

🧑‍🎓
前辈说"收敛失败一定要好好做"的意思现在明白了。

3. 计算时间超出

🧑‍🎓
计算时间超出具体是什么意思呢？

🎓
症状：计算远超预想时间

🎓
对策：

网格粗细分布的最优化

对称性的活用（1/2

指标	理想值	许可范围	影响
纵横比	1.0	< 5.0	精度降低
雅可比行列式比	1.0	> 0.3	要素退化
翘曲	0°	< 15°	精度降低
歪斜度	0°	< 45°	收敛性恶化
锥度比	0	< 0.5	精度降低

症状	原因	对策
计算不收敛	网格品质不良、不适当的边界条件	网格改善、约束条件调整
应力异常大	应力奇点、网格依赖	奇点回避、局部网格细分
位移非现实	材料常数错误、单位系统不一致	确认输入数据
计算时间过长	不必要的细分、低效求解法	网格最优化、并行计算

功能	Ansys Mechanical	Fluent	Star-CCM+	COMSOL
基本功能	○	○	○	○
高级功能	○	○	○	△
自动化/脚本	○	○	○	○
并行计算	○	○	○	○
GPU支持	△	△	△	○

工具	许可证	特点
商用FEA	节点锁定/浮动	价格昂贵但提供官方支持
OpenFOAM	GPL	免费但支持需收费
COMSOL	节点锁定/浮动	按模块购买
Code_Aster	GPL	EDF开发的OSS求解器

并行化方法	概述	适用求解器
MPI（域分割）	分布式内存型。大规模问题的标准	全主要求解器
OpenMP	共享内存型。节点内并行	众多求解器
GPU（CUDA/OpenCL）	GPGPU活用。特别对显式法有效	LS-DYNA, Fluent等
混合MPI+OpenMP	节点间+节点内并行	大规模HPC环境