Agritek Volume 12 Nomor 1 Maret 2011 SIMULASI CFD PERPINDAHAN ... 1
Simulasi CFD Perpindahan Panas Pada Heatsink Mikroprosesor
Aris Budi Harsanto 1
1
adalah Mahasiswa Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta
Abstract
Today's microprocessor technology develops very quickly. The speed of the computing process has become a necessity for mankind. With the faster performance computing will give rise to the heat concentration effect on the microprocessor component. Each type of microprocessor components have tolerance limits of operational heat, and when the heat exceeds the recommended threshold then the microprocessor performance will be disrupted and result in computational capabilities will decline, abnormal may even cause permanent damage. So to overcome this problem, they invented refrigeration equipment to cool the microprocessor known as the heatsink. Simulation heatsink performed using CFD software: Fluent with forced flow of air by a fan at a speed of 7.5 m / s (90 CFM), heat input at the base / base of the heatsink (the microprocessor) at 100 W and the heatsink is made of aluminum material. From the simulation and analysis above it can be deduced: CFD Simulations with FLUENT software is very useful help to explain the details of heat transfer phenomena that occur in applications heatsink; With heating load of 100 watts at the base of heatsinks, heatsinks highest temperature reached 47 K and the total enthalpy of the process heat transfer at 48516.5 j / kg; each blade fin temperature distribution is not uniform, where the nearest fin blade with a heat source (base) experienced higher temperature fluctuations than in the bar fin furthest from the heat source; With the forced convection air flow by fan, the heat transfer process in the more effective heatsink.
Keywords: CFD, heatsink, Microprocessor
PENDAHULUAN
Teknologi mikroprosesor dewasa ini berkembang dengan sangat cepat. Kecepatan proses komputasi sudah menjadi kebutuhan bagi umat manusia. Dengan semakin cepat kinerja komputasi, maka akan timbul dampak pemusatan panas pada komponen mikroprosesor tersebut. Setiap jenis komponen mikroprosesor mempunyai toleransi batas panas operasional, dan apabila melebihi
batas ambang panas yang
direkomendasikan maka kinerja mikroprosesor akan terganggu dan
mengakibatkan kemampuan
komputasinya akan menurun, abnormal bahkan dapat menimbulkan kerusakan permanen. Maka untuk menanggulangi
permasalahan tersebut, dibuatlah peralatan pendingin untuk mendinginkan mikroprosesor yang dikenal dengan nama
heatsink. Heatsink biasanya terbuat dari
material yang mudah menghantarkan panas yaitu aluminium atau tembaga. Dan biasanya untuk lebih mengoptimalkan kinerja pendinginannya, hetsink dilengkapi fan/kipas untuk mengkonveksi paksa permukaan heatsink dengan hembusan angin, sehingga panas yang berada pada heatsink akibat konduksi dari mikroprosesor dapat cepat dibuang keluar ke lingkungan. Untuk mempercepat transfer panas, heatsink dibuat bersirip-sirip (fins), karakteristik bersirip-sirip juga menentukan tingkat transfer panas. Dengan demikian, kinerja optimal heat
Agritek Volume 12 Nomor 1 Maret 2011 SIMULASI CFD PERPINDAHAN ... 2
sink bisa diperoleh melalui optimasi desain yang untuk memaksimalkan transfer panas dan meminimalkan penurunan tekanan. Untuk mencapai desain heatsink yang optimum yaitu untuk perpindahan panas yang efektif, metode yang lebih akurat dan teknis harus diidentifikasi. Analisis dan formulasi empiris untuk efisiensi sirip, penurunan tekanan dan koefisien perpindahan panas telah banyak diteliti untuk menentukan dan memperoleh desain heat sink yang optimal, Arularasan R et. al [6] telah membuat penelitian tentang pengaruh ketebalan, tinggi, dan profil sirip yang optimal untuk penghantaran panas yang lebih baik dari sebuah susunan sirip persegi panjang. R. J. Yang [8] menyimpulkan bahwa kinerja pendinginan heat sink tergantung pada sejumlah parameter termasuk ketahanan konduksi termal, dimensi, lokasi dan konsentrasi sumber panas serta kondisi aliran udara. Copeland [1] menyimpulkan bahwa metode karakterisasi untuk heat sink telah menjadi topik diskusi dari indistri pembuat heatsink yang telah menerapkan standard dan interpretasi berbeda atau untuk menentukan karakteristik heat sink yang ideal. Sementara Culhamand J. R et. al. [2] telah menyajikan sebuah prosedur yang memungkinkan parameter desain heat sink berdasarkan minimalisasi entropi yang berhubungan dengan perpindahan panas dan gesekan fluida. Dalam beberapa tahun terakhir, simulasi komputasi (CFD) telah digunakan sebagai sarana untuk mensimulasikan kinerja heatsink, dengan tujuan untuk mendapatkan karakteristik ideal dan optimal dari heatsink. PEMODELAN DAN SIMULASI Langkah-langkah dalam simulasi CFD : 1) Pre-Processing yaitu pemodelan dari objek 2) Solver Execution, yaitu penentuan model penyelesaian numerik dan kondisi batas 3) Post-Processing, yaitu analisis dari simulasi yang telah berhasil dilakukan Untuk dapat memperkirakan bagaimana fenomena perpindahan panas pada heatsink, akan didasarkan pada model matematis yang berdasar pada konsep konservasi (hukum kekekalan). Konsep konservasi tersebut adalah: Kesetimbangan Massa dan Momentum : (1)
Momentum dalam arah sumbu –X: Momentum dalam arah sumbu –Y: (2) Momentum dalam arah sumbu –Y: (3) Besaran Energi : (4) dengan: (5)
Dimana ρ adalah densitas, u,v dan w adalah komponen kecepatan, adalah vektor kecepatan, P adalah tekanan, τ adalah tegangan viskos, dan S adalah sumber lain, maka: (6)
(7)
(8)
Agritek Volume 12 Nomor 1 Maret 2011 SIMULASI CFD PERPINDAHAN ... 3 (10)
(11)
Dimana µ adalah viskositas dinamis, Ф adalah disipasi viskos, λ adalah viskositas kedua yang besarnya :
(12) Disipasi viskos dirumuskan :
(13) Dengan total enthalpy (H) :
(14)
Dimana i adalah internal energi, dan E adalah total energi.
Simulasi heatsink dilakukan menggunakan software FLUENT dengan aliran paksa udara oleh kipas dari depan pada kecepatan 7,5 m/s (90 CFM) dan input panas pada base/dasar heatsink (dari mikroprosesor) sebesar 100 W dan Material heatsink terbuat dari aluminium.
Dimensi dan geometri dari heatsink dapat dilihat pada gambar diwabah :
Gambar. 1. Geometri Heatsink
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari simulasi CFD yang telah dilakukan diperoleh gambaran perpindahan panas pada heatsink :
Gambar. 2. Kontur temperatur statik Gambar 1, 2 dan 3 adalah simulasi distribusi temperatur statik pada heatsink, dimana pada gambar 1. nampak gradasi warna biru ke kuning, warna biru menunjukkan tempat input konveksi paksa oleh fan. Pada base heatsink (bagian bawah), dengan beban pemanasan sebesar 100 W, menunjukkan derajat temperatur sebesar 347 K, sisi fin (sirip) yang berjauhan dengan sisi masuk angin (fan) menunjukkan derajat temperatur (kuning) 333 K, sedangkan fin disekitar fan (biru) menunjukkan derajat temperatur kisaran 300 K, terdapat kesamaan dengan hasil yang diteliti oleh
R.Mohan [4]. Di sini, perpindahan panas
dari sumber panas (base) dasar heatsink menuju ke fin, terjadi secara konduksi, dan perpindahan panas dari hembusan udara (fan) ke fin (heatsink) terjadi secara konveksi. Dimana beban energi pemanasan pada base heatsink sebesar 0.16710059 watt dan beban energi konveksi paksa fan sebesar 0.16684382 watt. Dengan enthalpi total dari proses perpindahan panas sebesar 48516,5 j/kg.
Agritek Volume 12 Nomor 1 Maret 2011 SIMULASI CFD PERPINDAHAN ... 4 Gambar. 4. Kontur temperatur statik
Laju aliran massa udara dari hembusan fan dengan kecepatan aliran udara 7,5 m/s sebesar 9.365e-09 kg/s. Dari gambar 5. dapat terlihat bahwa terdapat aliran balik (back flow) udara pada sisi-sisi samping fin yang disebabkan arah aliran udara membentur sisi samping fin. Benturan aliran udara dengan sisi samping fin inilah yang mengkonveksi paksa udara, dan membawa panas dari permukaan (samping) fin ke udara bebas (lingkungan). Sebagian aliran udara ada yang menerobos melewati celah-celah diantara fin, disini udara juga membawa panas dari permukaan celah fin bagian dalam ke udara bebas (lingkungan), tetapi kuantitas dan kecepatannya tidak setinggi di bagian fin samping luar. Sehingga perpindahan panas optimal terjadi pada sisi bagian samping fin yang berdekatan dengan fan [5]. Hal ini dapat dilihat dari kontur temperatur (gambar.3) yang menunjukkan adanya selisih temperatur antara fin pada sisi masuk aliran udara dengan fin pada bagian dalam.
Gambar. 5. Vektor kecepatan udara (fan)
Gambar 6. menunjukkan distribusi temperatur sisi outflow aliran udara pada heatsink, yang diambil pada fin bagian tengah dan fin bagian samping terluar. Dari sini terlihat bahwa dalam satu bilah fin terjadi distribusi perubahan temperatur yang menunjukkan penurunan seiring semakin menjauhi sumber panas (base) [7]. Karena bilah fin bagian tengah memiliki jarak terdekat dengan sumber panas dan masih terjangkau hembusan udara dari fan, maka pada fin ini terjadi perbedaan temperatur yang drastis pada sisi bawah dan atas, dengan selisih temperatur mencapai 21 K. Tetapi pada bilah fin terluar karena letaknya jauh dari sumber panas dan sedikit sekali mendapat hembusan udara, maka temperaturnya relatif seragam di angka 333-334 K.
Distribusi Temperatur Fin
314 316 318 320 322 324 326 328 330 332 334 336 338 340 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Panjang Fin (cm) - [bawah ke atas ]
T e m p e ra tu r (K ) Fin Tengah Fin Pinggir
Gambar. 6. Distribusi temperatur fin tengah & luar
KESIMPULAN
Dari simulasi dan analisis diatas dapat ditarik kesimpulan :
1. Simulasi CFD dengan bantuan software Fluent sangat berguna untuk menjelaskan detail fenomena perpindahan panas yang terjadi pada aplikasi heatsink.
2. Dengan beban pemanasan sebesar 100 watt pada base heatsink, suhu tertinggi heatsink mencapai 47 K dan enthalpi total dari proses perpindahan panas sebesar 48516,5 j/kg.
3. Distribusi temperatur tiap bilah fin tidak seragam, dimana bilah fin
Agritek Volume 12 Nomor 1 Maret 2011 SIMULASI CFD PERPINDAHAN ... 5 4. terdekat dengan sumber panas (base) mengalami fluktuasi temperatur yang lebih
tinggi dari pada bilah fin terjauh dari sumber panas.
5. Dengan adanya konveksi paksa aliran udara oleh fan, proses perpindahan panas pada heatsink semakin efektif.
Simulasi dapat dikembangkan dengan variasi arah konveksi paksa aliran udara oleh fan yang berasal dari sisi atas heatsink.
DAFTAR PUSTAKA
Arularasan R. and Velraj R. (2008), ”CFD Analysis In A Heat Sink Fot Cooling Of Electronic Devices”, International Journal
of The Computer, the Internet
and Management Vol. 16.No.3
pp 1-11.
---, (2008) “CFD analysis in a heat sink for cooling electronic devices”,
International Journal of the Computer, the Internet and
Management 1-11 R.
Copeland, D. (2000). “Optimization of parallel plate heat sinks for forced convection”, IEEE
Semiconductor thermal
measurement and management
symposium, San Jose, USA,
March, pp 266-272.
Culhamand J. R and Muzychka Y. S (2001), “Optimization of Plate Fin Heat Sinks Using Entropy Generation Minimization”,
IEEE transactions on
components and packaging
technologies, vol. 24, no. 2, June
PP 159-1651.
R.Mohan, (2010) “Thermal analysis of CPU with composite pin fin heatsink”, International Journal
of Engineering Science and
Technology Vol. 2(9), 2010,
4051-4062.
R.Mohan and P.Govindarajan, (2010) “Thermal Analysis of CPU with variable Heat Sink Base Plate Thickness using CFD”,
International Journal of the Computer, the Internet and
Management, Vol. 18 No.1, pp
27-36.
R. J. Yang and L-M-Fu, (2001) “Thermal and flow analysis of a heated electronic component,”
International Journal of Heat
and Mass Transfer, pp.
2261-2275, volume 44.
Savithri Subramanyam, Keith E. Crowe (2006), “Rapid design of heat sinks for electronic cooling computational and experimental tools”, IEEE Symposium
