Конфигурация воздушных потоков внутри корпуса форм-фактора ATX

Эта работа была прислана на наш «бессрочный» конкурс статей и автор получил приз — видеокарту NVIDIA GeForce FX 5700Ultra.

Эта статья посвящается всем тем, кто в данный момент использует традиционное воздушное охлаждение.

Предисловие

Сегодня в Интернете можно с легкостью найти много материалов по модификации воздушного охлаждения. Чего только я не встречал: установка дополнительных корпусных вентиляторов и бловеров, вырезание блоухолов в самых непредсказуемых местах корпуса, применение теплотрубок, улучшение естественной конвекции, привлечение гигантских бытовых вентиляторов для обдува.

Все это было бы замечательно, если бы делалось грамотно. Как-то раз друг сказал мне, что у него установлено аж пять корпусных вентиляторов. Я его с этим поздравил, а когда узнал, как они расположены и куда гоняют теплый воздух, обругал его последними словами. И тогда же мне в голову пришла мысль, что и к кажущейся простой задаче размещения вентиляторов неплохо бы подойти с научной точки зрения.

Здесь я хочу рассказать о решении схожей задачи. Для поиска оптимальной конфигурации вентиляторов совсем необязательно рассчитывать температурный режим работы всех комплектующих. Ведь процессоры, видеокарты, винчестеры, память у всех разные, имеют разную тепловую мощность, то есть рассеивают разное количество тепла за одинаковое время. Главное – убедиться в отсутствии вихрей, в том, что горячий воздух быстро покидает корпус, а для поступления холодного не создается никаких препятствий.

Изначально работа называлась «Особенности задач принудительной конвекции в системе физического моделирования ANSYS на примере моделирования конфигурации воздушных потоков внутри корпуса форм-фактора ATX системного блока персонального компьютера», была представлена мной на кафедре, и (хвастаюсь!) была замечена. Вот я и решил отдать эту статью на суд широкого круга читателей, предварительно переработав ее. Тем, кому интересно, «откуда все это взялось», советую все же не пропускать следующей части.

Немного физики и математики

Задача о движении потоков воздуха находится в сфере применения гидродинамики. Первый из двух основных методов описания движения жидкости или газа (здесь и далее в тексте различия не делается) – метод Лагранжа. Основная идея заключается в том, чтобы отдельно описывать движение малых элементарных объемов жидкости. Для трехмерной модели со сложной геометрией, каковой является геометрия системного блока, это непосильная задача. На помощь приходит метод Эйлера, в котором описываются характеристики движения жидкости во времени в неподвижных точках пространства. Описание упрощается, если течение можно считать стационарным, т.е. течением, параметры которого не меняются со временем (даже если образуются турбулентные зоны, считаем, что их форма постоянна).

Поставленная задача формулируется в основных уравнениях гидродинамики (Эйлера, Бернулли, непрерывности, Навье-Стокса). Но опять таки, из-за сложности модели, такую задачу невозможно решить аналитически (методами современной математики).

Само собой напрашивается применение численных методов решения. Для реализации я выбрал среду физического моделирования ANSYS, использующую метод конечных элементов (МКЭ). Схему применения МКЭ можно кратко описать следующими пунктами

1. задача формулируется на языке дифференциальных уравнений
2. дифференциальные уравнения заменяются соответствующими функционалами, задача сводится к поиску минимумов функционалов
3. вся модель разбивается на элементы (так называемой конечноэлементной сеткой)
4. для каждого элемента выбираются пробные функции, чаще всего полиномы, и для них записываются граничные условия (например, известные температуры, скорости, давления в модели), функционал представляется как сумма интегралов пробных функций по элементам
5. путем решения СЛАУ (систем линейных алгебраических уравнений) ищутся минимумы функций
6. результатом считается совокупность результатов вычислений для всех элементов.

Для решения задач гидродинамики в ANSYS применяется итерационный метод. После решения задачи по приведенному выше алгоритму (пункты 4-6) результаты сохраняются и передаются в качестве граничных условий на следующий шаг. Так продолжается до тех пор, пока либо не будет достигнута нужная сходимость решения (т.е. разность результатов по температуре, скорости или давлению на соседних шагах меньше заданного числа), либо не исчерпается лимит итераций.

Геометрическая модель

В геометрическую модель были включены стенки корпуса и основные располагающиеся внутри крупногабаритные детали. Все размеры были перенесены в модель путем прямых измерений с помощью рулетки из стандартного системного блока, соответствующего типоразмеру ATX: Был рассмотрен Inwin J535 с корпусными вентиляторами в предусмотренных производителем местах, стандартный блок питания с одним вентилятором, Radeon 9000 с пассивным охлаждением, боксовый кулер от Intel, одна планка памяти. Так как в прототипе геометрической модели для подключения накопителя на жестких магнитных дисках использовался интерфейс Serial ATA (характеризующийся малыми размерами соединительного кабеля) вкупе с грамотным расположением IDE шлейфов для подключения приводов чтения/записи компакт дисков, эти и другие провода не учитывались при построении геометрической модели.

В рассмотрение были включены следующие элементы, ограничивающие распространение воздушного потока:

• стенки корпуса (Walls)
• накопитель на жестких магнитных дисках (HDD)
• два устройства чтения/записи компакт дисков (CDROM)
• дисковод для гибких дискет (Floppy Drive)
• видеокарта (Video)
• микросхема памяти (Memory)
• стенки блока питания (Power)

В рассмотрение были включены следующие элементы для задания температурных нагрузок:

• центральный процессор с радиатором (СPU)
• графический процессор с радиатором (GPU)
• накопитель на жестких магнитных дисках (HDD)
• микросхемы памяти (Memory)

В рассмотрение были включены следующие элементы, определяющие скорость воздушного потока:

• вентилятор процессора (CPUFan)
• вентилятор блока питания (PowerFan)
• вентилятор на передней стенке корпуса (SysFanFront)
• вентилятор на задней стенке корпуса (SysFanBack)

На рисунках приведены проекции различных частей трехмерной модели на одну плоскость проекции, полученные средствами ANSYS:

Внутренние детали модели

Внешние детали модели

Внутренние детали модели, вид сбоку

Таким образом, геометрия модели одинакова для всех решаемых задач.

Пусть скорости воздушных потоков на вентиляторах одинаковы по величине во всех случаях, а направление потока воздуха, создаваемого процессорным вентилятором, постоянно и по направлению. Рассмотренные варианты установки вентиляторов с условными обозначениями приведены ниже.

1. вдув/ноль – передний вентилятор работает на вдув, задний отсутствует, вентилятор блока питания работает на выдув
2. вдув/выдув – передний вентилятор работает на вдув, задний и вентилятор блока питания работает на выдув
3. вдув/вдув – передний и задний вентиляторы работают на вдув, вентилятор блока питания работает на выдув
4. ноль/вдув – передний вентилятор отсутствует, задний вентилятор работает на вдув, вентилятор блока питания на выдув
5. обратный ток – передний вентилятор работает на выдув, задний и вентилятор блока питания работают на вдув

Физическая модель

Численное решение гидродинамической и температурной задач предполагает предварительное задание характерных свойств потока жидкости или газа, как, например, ламинарный или турбулентный характер течения и наличие или отсутствие сжимаемости потока. Также необходимо знать граничные условия: скорости/давления на входных и выходных отверстиях модели. Для получения установившейся картины (т.к. колебания скоростей и температур незначительны) на деталях модели достаточно задать постоянные температуры.

Начальную скорость потока воздуха, создаваемого вентиляторами, можно определить, исходя из их паспортных данных. Для всех вентиляторов известными являются объем пропускаемого воздуха за единицу времени и площадь сечения. Пример для расчета скорости воздуха, проходящего через вентилятор радиуса r = 0.035 м и пропускающего v = 20 кубических футов воздуха в минуту:

При взаимодействии потока воздуха с препятствиями произвольной конфигурации, каковыми можно считать установленные внутри системного блока детали, логично ожидать возникновения турбулентных течений. Это можно подтвердить, оценив порядок коэффициента Рейнольдса для данного потока воздуха и препятствия размером порядка 0.1 м. Для потока воздуха с характерными скоростью порядка 1 м/с, плотностью 1 кг/м³ и кинематической вязкостью 10^-5 м²/с коэффициент Рейнольдса составит

Известно, что при порядке коэффициента Рейнольдса, большем 1, силы вязкости уже не способны гасить возникающие при обтекании произвольные составляющие скорости потока, из чего следует турбулентный характер потока.

Детали реализации

Этот параграф могут пропустить те, кто не собирается сейчас же начать заняться моделированием 😉

В системе физического моделирования ANSYS существует два основных метода создания модели и обработки результатов. Это написание программы на встроенном языке APDL и редактирование модели вручную при помощи графического интерфейса пользователя (GUI, Graphics User Interface). В связи с тем, что геометрическая модель, конечно-элементная сетка, а также граничные условия могут подвергаться изменениям в процессе реализации, то предпочтительней использовать для этой части моделирования, равно как и для задания различных опций решения, программный метод. Для обработки результатов, в частности при построении графиков, удобно, напротив, прибегнуть к GUI.

Решение задачи предполагает задание типа анализа и свойств гидродинамической среды. В рассматриваемой задаче это воздух, для которого в ANSYS имеются предопределенные значения плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости при нормальных условиях в единицах СИ. При взаимодействии потока воздуха с препятствиями на произвольной конфигурации, как говорилось выше, течение имеет турбулентный характер, а поток считается сжимаемым.

Построение геометрии модели должно осуществляться с учетом того, что расположение деталей модели остается неизменным. Для задания их положения в пространстве в программе используются константы.

Для упрощения построения конечноэлементной сетки (а также возможности построения упорядоченной сетки) весь объем модели разбивается на равновеликие элементы, все активные части модели при этом описываются узлами. После задания определения принадлежности узлов к частям модели проблема задания нагрузок, таких как скорости, давления и температуры, легко решается.

Характерные сложности реализации

Так как задача трехмерна и имеет сложную геометрию, решение сходится по всем параметрам до порядка 10^-2 за несколько сотен итераций. При разбиении модели даже на десятки конечных элементов по каждому измерению, выполнение этого необходимого количества итераций требует от получаса до часа времени на Celeron 2.0@2.6ГГц (ANSYS – одно из немногих приложений, которое реально поддерживает многопроцессорность, так что с благодарностью приму во временное пользование или в дар пень HT 🙂 ). При создании более мелкого разбиения время решения резко увеличивается. Например, при реформировании сетки всего в 3 раза, время подсчета одной задачи увеличится в 27 раз, и составит примерно сутки на одну задачу. По причине отсутствия на момент реализации более мощных вычислительных ресурсов конечноэлементная сетка модели недостаточно подробна, хотя и позволяет описать все части модели и решить поставленную задачу.

Результаты

В этом параграфе приведены сравнительные результаты проведенного анализа для двух различных конфигураций установленных внутри корпуса вентиляторов, а также дана относительная оценка их эффективности. Для остальных случаев приведены краткие характеристики на основе полученных результатов.

Для визуализации результатов я использовал три различных способа:

1. сечение модели с контурным цветовым графиком температуры или скорости воздуха
2. картина распределения линий тока воздуха, цветом показана температура (картина перемещения заранее выбранных элементарных объемов воздуха)
3. анимация течения воздуха вдоль линий тока

Дабы не загромождать статью, подробно рассмотрю результаты только для двух случаев.

Сравнительный анализ систем охлаждения, работающих на вдув/выдув и вдув/вдув.

вдув/выдув, линии тока, вид сбоку

вдув/вдув, линии тока, вид сбоку

Из графиков видно, что в первом случае поток имеет меньше завихрений, более устойчив по конфигурации.

вдув/выдув, линии тока

вдув/вдув, линии тока

Важную информацию несут температурные распределения:

вдув/выдув, температура в поперечном сечении через ЦП

вдув/вдув, температура в поперечном сечении через ЦП

вдув/выдув, температура в продольном сечении через ЦП

вдув/вдув, температура в продольном сечении через ЦП

Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки. В первом случае горячий воздух быстрее отводится от процессора, но зато во втором случае, при работе вентилятора на задней стенке на вдув, процессор охлаждается более холодным воздухом.

Так же привожу ссылки на avi-файлы с анимацией течения соответственно для случаев вдув/выдув (VDUV_VIDUV.ZIP, 527КБ) и вдув/вдув (VDUV_VDUV.ZIP, 673КБ). Для более удобного просмотра нужно включить повтор при воспроизведении анимации.

Краткая характеристика результатов для случая вдув/ноль

Одна из наиболее удачных конфигураций вентиляторов. По своим характеристикам распределений и температур практически не отличается от конфигурации вдув/выдув, используя на один вентилятор меньше (эффективно применяться может только при отсутствии других вытяжных отверстий). Для случаев вдув/ноль и вдув/выдув сравнительные контурные графики по сечениям можно посмотреть здесь (VDUV_NO-VS-VDUV_VIDUV.ZIP 1.3 МБ).

Краткая характеристика результатов для случая ноль/вдув

Поток воздуха, поступающий через вентилятор, расположенный на задней стенке, практически не участвует в отводе тепла с центрального процессора и видеокарты (схема вверху). Это негативно сказывается на образовании зоны слабой конвекции вблизи микросхемы памяти и центрального процессора. При этом установленный на процессоре вентилятор (схема внизу) захватывает и повторно пропускает через себя часть нагретого воздуха. Такая установка вентиляторов одна из самых неэффективных, хотя из несколько симметричной геометрии можно было ожидать конфигурации потоков как в случае вдув/ноль.

Краткая характеристика результатов для случая обратного тока

Так же, как и в предыдущем случае, основной поток воздуха практически не участвует в теплообмене с наиболее нагретыми частями модели. Очевидным недостатком применения такой компоновки вентиляторов является еще и то, что в этом случае принудительная конвекция происходит против направления небольшой по величине, но имеющей место естественной конвекции. Такая система расположения не может считаться самой эффективной.

Вместо выводов. Заключение

При составлении заключения к оригиналу этой статьи, я написал следующее:

Благодаря использованию функций обработки и представления результатов можно сделать вывод об относительной эффективности по охлаждению различных вариантов установки вентиляторов в корпусе компьютера. Самой эффективной из рассмотренных конфигураций является следующая: вентилятор на передней стенке корпуса работает на вдув, вентилятор на задней стенке работает на выдув.

Несмотря на этот результат нельзя не признать, что корпуса форм-фактора ATX, хотя и будут скорее всего продолжать использоваться в ближайшие годы, не смогут решить проблему независимого охлаждения комплектующих, т.е. осуществить обдув каждого источника тепла холодным воздухом. Поэтому на сегодняшний день системы воздушного охлаждения проигрывают жидкостным аналогам. Возможно, ситуацию помогут исправить корпуса форм-фактора BTX, широкое внедрение которых на рынок планируется уже в 2005 году.

Сейчас же хочу прибавить несколько замечаний общего характера.

Практическая ценность от приведенных выше результатов для отдельно взятого пользователя, по большому счету, стремится к нулю. Просто перебрать все варианты вентиляторов, блоухолов, воздуховодов в рамках одной статьи нереально. Также некоторые из рассмотренных конфигураций вентиляторов были заведомо неверны. Главное совсем не это.

Важно то, что с помощью приведенного выше метода можно с очень хорошей точностью предсказать, какая модификация охлаждения принесет реальную пользу, а какая нет. Не сомневаюсь в том, что те, кто разрабатывает Термалтейки и Чифтеки, пользуются схожими инструментами. Метод универсален и относительно прост.

Не секрет, что тепловыделение комплектующих растет, растет и шум, создаваемый воздушным охлаждением. Возможно, ситуацию изменит массово выпускаемое жидкостное или воздушно-жидкостное охлаждение, как в новом маке G5 (хотя вряд ли системные администраторы согласятся иметь такие офисные машины, и чтобы убедить их в надежности, потребуется не один год испытаний). Некоторые возлагают надежды на новый стандарт BTX и усовершенствованное воздушное охлаждение. Может быть, будущее за гибридом холодильника с системным блоком, известным как «фреонка», или за TNN-500A (который, по моему мнению, представляет все же тупиковую ветвь охлаждения).

Все это только планы. Сегодня преобладающее число пользователей (в том числе оверклокеров) использует воздушное охлаждение в форм-факторе ATX, и так будет ближайшие года три точно. Я не предлагаю никому завтра же начинать моделировать и проверять новую модификацию своего корпуса. Но прошу всех, кто знает качественные модификации охлаждения ATX, а также просто всех, кому есть что сказать, писать в форум, на почту или в ICQ. От ваших пожеланий зависит, выйдет ли полный сравнительный обзор температурных режимов, обеспечиваемых ATX, его модификациями и BTX, и каким он будет.

Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.