Análisis fluidodinámico del flujo de aire en el interior de la carcasa de un PC

En este estudio se muestran las capacidades del CFD en materia de fluidodinámica y transferencia de calor analizando el flujo de aire dentro de la carcasa de un ordenador.

La carcasa y todos los componentes se encuentran totalmente especificados. El ordenador dispone en su interior de la placa base, el procesador, un disipador de cobre, fuente de alimentación, tarjeta gráfica y un lector de discos. El objetivo del estudio es determinar la posición óptima de ventiladores para conseguir la mayor refrigeración posible en la CPU.

El ordenador cuenta con tres entradas/salidas de aire, y se debe analizar de qué manera colocar los ventiladores para disminuir la temperatura del procesador lo máximo posible. Los tres ventiladores son del mismo tipo. Este ventilador puede trabajar a dos velocidades, ofreciendo la velocidad superior el doble de caudal que la inferior, y se conoce la curva de presión-caudal. Dado que hay tres posibles entradas o salidas, se podrá trabajar con dos ventiladores de entrada y uno de salida (de manera que el de salida trabajará a caudal alto y los restantes a caudal bajo) o bien dos de salida y uno de entrada (de manera análoga). De este modo, en total hay seis posibilidades distintas que se deben evaluar. Dos de las entradas se encuentran en el lateral de la carcasa y la restante en la zona trasera superior, como se muestra en las siguientes imágenes:

El procesador cuenta a su vez con un ventilador propio que aplica aire al disipador, que maximiza la transferencia de calor. En la simulación únicamente se han incluido los elementos de cierta envergadura que suponen un obstáculo al paso de aire (lector de discos, tarjeta gráfica y fuente de alimentación). Estos elementos se han representado de manera simplificada como paralelepípedos, respetando su volumen total, pero sin modelar los pequeños detalles que puedan contener. Así mismo, tampoco se han incluido en la simulación elementos tales como cables o pequeños componentes que integran la placa base, ya que se asume que su influencia en el transporte fluidodinámico no tiene demasiada relevancia para el objetivo principal del estudio.

A continuación, se muestra un video de la geometría simulada:

La simulación se ha realizado en el software OpenFOAM versión 8, utilizando el solver “chtMultiRegionFoam”. En ella se han simulado dos regiones distintas: el volumen de aire (fluido) y el disipador acoplado a la CPU (sólido). 

El ventilador interno se ha simulado usando la condición “fanPressureJump”, y los ventiladores externos utilizando la condición “fanPressure”. El de salida/entrada siempre queda especificado mediante el caudal máximo que puede aportar el ventilador, y a los dos restantes se les impone la mencionada condición de ventilador con su curva correspondiente para que el software calcule su caudal (que debe resultar en la mitad del caudal máximo, para cada uno).

Para la simulación se considera una carga calorífica constante en el procesador de 80 W, que se transmitirá al disipador y de aquí al flujo de aire.

A continuación, se muestra la tabla de resultados obtenidos para cada una de las simulaciones:

Como se puede comprobar, la disposición óptima es aquella en la que el aire se introduce fresco por la entrada lateral inferior, y se retira el aire caliente por las dos zonas superiores, obteniendo una temperatura de la CPU en régimen permanente de 54.43 ºC. El resultado es bastante coherente, pues el aire caliente tiende a subir, y parece mas efectivo retirarlo una vez que se encuentre en la zona superior de la carcasa.

En el siguiente video se pueden ver distintas perspectivas en las que se observa las líneas de corriente dentro del equipo:

En este estudio se han demostrado las capacidades del software CFD a la hora de realizar análisis fluidodinámicos y de transferencia de calor. Estudios más detallados podrían evaluar diversas alternativas de diseño (modificando la propia carcasa para determinar otras posiciones del ventilador), diseñar el disipador que maximice la transferencia de calor, estudiar la influencia de otros componentes en el transporte del aire en el interior, etc. Por supuesto, los conceptos aquí aplicados pueden utilizarse también en otro tipo de equipos o recintos (para determinar la manera óptima de refrigerar una habitación, por ejemplo).

Si te interesa conocer como preparar este tipo de estudios puedes visitar nuestro tutorial de como preparar simulaciones multicuerpo con transferencia de calor utilizando SALOME y OpenFOAM.

Referencias: carcasa y disipador obtenidos del banco libre de archivos GrabCAD.

https://grabcad.com/library/dynatron-k129-1u-server-cpu-cooler-lga1151-l-lga1155-l-lga1156-1

https://grabcad.com/library/pc-case-9

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