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Waterblocks protos à mini-canaux - Page 3/13

Rédigé par David D. - 04/05/2004
Catégorie : Watercooling



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Etudes numériques 2D

Pour illustrer tout ceci, on réalise une petite étude rapide pour comparer nos 2 solutions. On calcule l'allure d'un même écoulement turbulent 2D dans 2 designs différents, un à canaux droits et l'autre à canaux recoupés. Pour visualiser la différence, on s'attache à regarder l'importance de la turbulence sur une même échelle. On ne s'occupera que des 2 canaux centraux car les 2 extérieurs sont soumis aux effet de bords avec les parois et n'ont pas d'intérêt dans l'explication :

La différence entre les 2 est nette ! L'attaque de l'écoulement à l'entrée des canaux est identique mais la version recoupée offre des zones de turbulence élevée à chaque décrochage se produisant sur l'arête arrière d'une pointe. On obtient ainsi devant chaque arête suivante un niveau de turbulence plus important et un meilleur brassage. Cette turbulence accrue conditionne également une perte de charge plus importante, car qui dit turbulence élevée dit frottements importants et donc pertes de puissance importantes. Un waterblock présentant des ailettes droites sera en toute logique un peu meilleur si on opère un recoupage, mais attention à la rigidité structurelle de l'ensemble qui risque d'en pâtir sérieusement si la base est très fine ! Au contraire, la version droite présente un niveau peu élevé de turbulence puisqu'il n'y a pas de perturbations sur le chemin à parcourir. Les pertes de charges entre les 2 designs seront donc différentes mais pas très éloignées car le design recoupé n'est quand même pas très restrictif, c'est donc tout bénéfice à priori. On trace la pression statique (non due au mouvement) qui s'exerce sur l'une des surfaces du canal central pour les 2 designs. La perte de charge d'un bloc à un débit donné est la différence de pression statique entre l'entrée et la sortie à ce débit. Plus le débit qu'on veut faire passer dans le bloc est grand, plus la perte de charge sera élevée :

La version recoupée 2D présente donc effectivement une perte de charge plus élevée, d'environ 14000 Pa (1 bar = 100000 Pa) dans cet exemple (vitesse d'écoulement à l'entrée imposée à 1 m/s), alors que la version droite arrive à environ 9000 Pa. La perte de pression statique est linéaire le long du canal, rien de surprenant puisque on appelle ca une perte de charge régulière.

Le niveau de turbulence est le plus élevé à l'entrée du canal car le fluide subit une restriction brutale de section donc sa vitesse augmente pour s'y engouffrer. Ce niveau se stabilise de nouveau au bout de quelques longueurs parcourues lorsque le fluide atteint sa forme d'écoulement développé. On observe la même chose en sortie de canal car le fluide subit à nouveau un changement de section brutal, et les différents flux rapides issus de chaque canal viennent s'entrechoquer pour aller vers la sortie. On le voit mieux sur cette étude 3D complète de la partie fluide du bloc :

Si l'on considère maintenant l'allure de la vitesse dans ces canaux, on a logiquement la vitesse la plus élevée au centre du canal et de plus en plus faible au fur et à mesure qu'on se rapproche des parois, jusqu'à se retrouver dans la couche limite où la vitesse est extrêmement faible. On peut remarquer que du fait du calcul pour trouver l'écoulement moyen, les espaces entre les pointes sont animés d'une vitesse quasi nulle (en bleu) car le fluide n'a strictement aucune raison de circuler de haut en bas vu sa vitesse de déplacement, il va toujours au plus simple... En réalité cela est un peu différent car l'écoulement est turbulent et donc instationnaire, c'est à dire qu'il varie à chaque instant autour de cet écoulement moyen grâce aux tourbillons qui se forment et qui brassent tout. Dans un écoulement laminaire (non turbulent) ca serait différent par contre car le fluide n'irait pas dans les "zones mortes" entre les pointes (recirculations). Tout l'espace et toutes les surfaces seront donc constamment soumises à de l'eau "fraîche" qui arrive de l'entrée grâce à la turbulence :

Une autre variante qu'on aurait pu développer, si le temps nous l'avait permis, est celle en square staggered à 45°. L'avantage de ce design est de procurer un écoulement un peu plus efficace que dans la variante inline square grâce à une vitesse élevée sur les pointes et un brassage très intense. Il y a évidemment un prix à payer qui est une perte de charge beaucoup plus importante puisque le fluide est contraint de zigzaguer entre les pointes pour trouver son chemin tout en subissant de nombreuses collisions avec les parois. Il n'est donc pas du tout évident de dire sur l'instant si un gain en température aurait été perceptible par rapport à la version recoupée car le débit résultant serait plus faible et pourrait annuler l'efficacité accrue de l'échange thermique. Autant avoir un bloc le meilleur possible en ayant les pertes de charges les plus petites possibles, c'est toujours bénéfique. Voici la variante envisageable :

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