Auf der Suche nach der Turbulenz und nicht gefunden

[Duke711]

Immer wieder lese ich von Turbulenz in einem Kühler, konnte bis jetzt aber noch keine ausfindig machen:

Update:

Erst ab ~ 95 L/h geht die Strömung in den parallel Kanälen zur einer turbulenten Strömung über und eine volle entwickelte turbulente Strömung ensteht erst ab ~ 280 L/h. Somit kann bei den meisten System nicht von turbulenter Strömung sprechen und wie man sehen kann hängt maßgeblich die sinkene GPU Temperatur mit steigenden Durchfluss nicht von der nicht vorhandenen Turbulenz ab sondern von der sinkenden Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser im Kühlereingang und Kühlerausgang. Bei gerade mal 10 L/h liegt diese bei 200 W über 13 K.

Somit gilt hier die gleiche Analogie wie bei den eines Wärmetauschers:

Q = A * k * dT
P = m/s * Cp * dT
oder

m/s_Wa * Cp_Wa * dT_Wa = m/s_Air * Cp_Air * dt_Air

Maßgeblich entscheidend ist also die Temperaturdifferenz, nicht das turbulente Übergangsgebiet, das spielt keine nenneswerte Rolle.
Auch kann man sehen, das auch bei einem GPU-Kühler ein Volumenstrom von mind. 60 L/h empfehlenswert ist.

Anbei Grafiken.


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Eine Turbulenz lässt sich einfach über die dimensionlose Reynoldszahl klassifizieren:


Reynolds-Zahl – Wikipedia


Wenn man einen Grafikkartenkomplettkühler genauer betrachtet, der sehr simpel aufgebaut ist:

Grafik 34 und 36

- Bereich Rohr Eingang; G1/4 Innengewinde, effektiver Öffnungsquerschnitt 8 mm
- Bereich Kanal 1
- Parallel Kanäle, es werden bis zu 34 Kanäle parallel angeströmt, somit teilt sich der Volumenstromen auf 34 Kanäle auf, d.h. bei einen Gesamtvolumenstrom von z.B. 120 L/h im Kreislauf, würde sich ein Teilvolumenstromen von ~ 3,5 L/h pro Kanal ergeben

Jetzt kann sehr einfach pro Abschnitt die Reynolds-Zahl errechnen, Beispiel Grafik 13.

Das habe ich jetzt mal gemacht

Bereich Rohr Eingang;

60 L/h // 2642
80 L/h // 3546
120 L/h // 5283
160 L/h // 7093
230 7h // 10133

Bereich Kanal 1

1328
2228
2656
3565
5093

Parallel Kanäle

498
668
966
1307
1876

kleiner als 2.300 gilt eine Ströming als Laminar.
> 2.300 bis 10.000 turbulentes Übergangsgebiet
Über 10.000 ist die Strömung turbulent bzw. es hat sich eine vollständige Turbulenz ausgebreitet.

Wie man sehen kann ist die Strömung in der parallelen Kanälen am laminarsten, von Tubulenz überhaupt keine Spur. Am turbulentesten ist übrigens die Einlasströmung.
Selbst wenn bei 230 L/h sich im Eingangsrohr schon eine volle Turbulenz ausgebildet hat, ist die Strömung in den Parallel-Kanälen immer noch laminar.

Aus diesen Grund hat übrigens praktisch der Durchfluss kaum eines nenneswerten Einfluss auf die Kühlleistung, wie man z.B: bei einem CPU Kühler erkennen kann:

https://www.computerbase.de/forum/attachments/kennliniedtddc-jpg.627341/

Bei einer vollausgebildeten Turbulenz würde übrigens proportional mit den Volumenstrom die Kühlleistung steigern. Das ist z.B: von 60 auf 120 L/h definitiv nicht der Fall. Aus diesem Grund hat die Oberflächenbeschaffenheit (rau/glatt) eben Falls keinen Einfluss auf die Kühlleistung.

Ich werde folgendes Diagramm

https://www.computerbase.de/forum/attachments/kennliniedtddc-jpg.627341/

aber noch mal für den Grafikkartenkühler um den es hier geht erstellen und ebenfalls für den Alphacool Eisblock XPX


Also lasst es mich wissen, wo habt ihr die angebliche Turbulenz gefunden oder wie habt ihr diese festgestellt und klassifiziert, bin auf Anworten gespannt?


Update folgt....

Update:

Der Alphacool Eisblock XPX ist eingetroffen.


Update2:

Siehe Post 15

https://www.computerbase.de/forum/t...enz-und-nicht-gefunden.1830322/#post-21855210

 

[Baal Netbeck]

Schön, dass du dich der Sache annimmst

Wäre cool, wenn du das für den Mittelbereich eines CPU Düsenkühlers simulieren könntest...denn soweit ich das mitbekommen habe, behauptet eigentlich niemand bei den Durchflusskühlern turbolenzen zu erzeugen...die GPU Kühler werden eher mit high flow beworben.

Bei den Düsenkühlern hingegen habe ich sowas öfter gelesen.....Du hast ja die Simulation hier....
https://www.computerbase.de/forum/t...durchfluss-usw-auf-die-temperaturdif.1685538/

Da sehe ich auch so Strömingslinien....da könntest du eventuell die höchste velocity raussuchen....die müsste sich ja direkt am Rand des Düse befinden, wo der Wasserstrom durch die Fins gedrückt wird....und gucken ob es da zumindest Turbolenzen gibt.....

 

[Mulleperal]

Vorerst mal Hut ab das du dich in das Thema so reinfuchst.
Finde ich toll.

- Parallel Kanäle, es werden bis zu 34 Kanäle parallel angeströmt, somit teilt sich der Volumenstromen auf 34 Kanäle auf, d.h. bei einen Gesamtvolumenstrom von z.B. 120 L/h im Kreislauf, würde sich ein Teilvolumenstromen von ~ 3,5 L/h pro Kanal ergeben

Wie ich auf deiner Grafik sehen kann gibt es einen Bypass zu den Kühler-Kanälen. Vermutlich in Querschnittsgröße von 50% bis 100% aller 34 Kühler-Kanäle.
Würde deine Vermutung unterstützen, dass in den Kühler-Kanälen fast in allen Fällen laminare Strömung herrscht.

Kennst du dich mit Flow Simulation aus? Gibt diverse Programme wie z.B. Solid Works bei denen solche Erweiterungen erwerbbar sind.
Ich vermute stark das die Kühlerhersteller auch mit solchen Simulationen arbeiten um die Querschnitte im Kühler zu optimieren, sodass man möglichst wenig Pumpenleistung für den Kühler benötigt.

Leider ist mir kein Programm als "Freeware" bekannt welches eine Strömungssimulation bietet.

 

[Qualla]

Es gibt einige Programme, bei denen man eine kostenlose Probeversion erhalten kann. Meinst limitiert auf einen Monat Testzeit, kann oft aber auch verlängert werden. Comsol würde mir da beispielsweise in den Sinn kommen. Diese Programme sind im Allgemeinen aber viel zu teuer für Privatanwender. Andererseits wird man auch keine soliden Ergebnisse bekommen, wenn man sich mit der Materie nicht schon eingehend / auf professioneller Ebene beschäftigt hat.

 

[kullakehx]

Leider ist mir kein Programm als "Freeware" bekannt welches eine Strömungssimulation bietet.

OpenFOAM wäre so eins. Wird auch in der Wissenschaft verwendet. Blender u.ä. sind nur für die Optik gut.

 

[Duke711]

Die Verarbeitungsqualität vom Alphacool Eisblock XPX lässt zu wünschen übrig:

Verbogene Fins, ein besonderes Kühlkonzept lässt sich nicht erkennen, alt bekanntes.

 

[swoptrok]

Ein Gedanke der mit kam und dir bei der Suche helfen könnte, von dem ich aber nicht abschätzen kann wie relevant er ist:
Das Fluid kommt nicht ungestört in deinem Kühler an, sondern hat schon vorher Pumpe, Schlauch und beim Eintritt in den Graka Kühler einen 90° Knick hinter sich. D.h. sie ist schon mit Störungen vorbelastet, was sie instabiler macht und schneller turbulent werden lässt. Diesen Aspekt spiegelt die Reynoldszahl so nicht wieder, ob das bei den kleinen Abmessung aber von Relevanz ist, sei mal dahingestellt.

Würde ich es simulieren, würde ich in jedem Fall noch etwas Schlauch und den Einlauf mit reinnehmen, auch wenn das die ganze Sache sehr viel komplexer macht.

Generell würde ich mal sagen, dass der hohe Druchfluss die Frage nach laminar oder turbulent ziemlich stark in den Hintergrund drängt, was die Effizienz angeht.

 

[Duke711]

@swoptrok

Richtig, die Reynoldszahl im ersten Post war nur überschlägig. In der Realität ist das ein zusammenhängendes System, und schon entstandene Turbulenzen vom Kanaleingang bauen sich auch so schnell nicht wieder ab und werden weiter getragen.

 

[Baal Netbeck]

Was ist denn mit der einen Simulation von dir, die ich verlinkt hatte?
Da war doch der Kanaleingang usw. mit simuliert.
https://www.computerbase.de/forum/attachments/stroemungslinie100-jpg.626057/

 

[Duke711]

Was ist denn mit der einen Simulation von dir, die ich verlinkt hatte?
Da war doch der Kanaleingang usw. mit simuliert.
https://www.computerbase.de/forum/attachments/stroemungslinie100-jpg.626057/

Was soll mit dieser sein?

 

[Baal Netbeck]

Was soll mit dieser sein?

Bei den Düsenkühlern hingegen habe ich sowas öfter gelesen.....Du hast ja die Simulation hier....
https://www.computerbase.de/forum/t...durchfluss-usw-auf-die-temperaturdif.1685538/

Da sehe ich auch so Strömingslinien....da könntest du eventuell die höchste velocity raussuchen....die müsste sich ja direkt am Rand des Düse befinden, wo der Wasserstrom durch die Fins gedrückt wird....und gucken ob es da zumindest Turbolenzen gibt.....

Also vorrausgesetzt, dass das deine eigene Simulation war und du anhand der Farbkodierung die Geschwindigkeit abschätzen kannst.....die Kühlerstruktur sieht fast genauso aus wie die meines Kryos HF, nur das bei mir die Düse kleiner scheint und über einen O-Ring in die Fins gepresst wird....also etwas Düsen mäßiger als in der Simulation, aber für eine grobe Abschätzung ist das sicherlich ausreichend.

 

[Duke711]

Mt Düse meinst Du vermutlich diese Platte hier:

Anhang

War beim Nexxxos XP ähnlich groß.

Für eine Düse ist der Öffnungsquerschnitt, so groß wie deines Scheunentores, viel zu groß. Selbst wenn man da eine richtige Düse einbauen würde, würde dies nichts nutzen. Um eine Turbulenz mit einer Düse zu erzeugen, wird immer ein anschließend großer Wandabstand benötigt, freie Strömung. Also z.B. eine Vorkammer, so ähnlich wie bei alten Saugdieselmotoren. Erst dann kann sich eine Turbulenz entfalten.

Die Strömungsgeschwindigkeit ist für eine Turbulenzbeurteilung nicht geeignet. Eine Turbulenz ist immer abhängig von Geometrie und dem Wandabstand. Turbulenzen können schon bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten entstehen.
Beim Nexxos XP sind die Turbulenzen erst maßgeblich oberhalb der Bodenstruktur bei der Auslassströmung entstanden, da wo also das Wasser keinen nahen Kontakt mehr zur Bodenstruktur bzw. den Fins hatte und somit nur einen höheren Druckverlust verursacht haben.

 

[Baal Netbeck]

Wofür packe ich links in meine Posts?

Mt Düse meinst Du vermutlich diese Platte hier:

Nein meiner hat keine Platte drin. Es sind auch nicht nur Rillen in eine Richtung, sondern sozusagen in beide Richtungen.....also genau so wie in deinem Thread, den ich verlinkt habe.

Nur bei dir scheint sich das Wasser schon vorher auf einen quadratischen Bereich aufzuteilen, und fließt erst dann in die Kühlerstruktur.
Bei mir wird es direkt in die Mitte gepumpt, zu den Seiten von einem kleinen O-Ring abgegrenzt.....wie ich schon geschieben hatte.....ich habe es nicht nachgemessen, aber ca 7mm Durchmesser würde ich sagen.

Das ist natürlich keine richtige Düse, aber alles Wasser muss ja aus diesem kreisförmigen 7mm Bereich raus und das direkt nach einem 90° turn und durch die Kühlerstruktur, die ungefär die Hälfte des Weges blockiert.

Ist von mir aus keine freie Turbulenz, aber laminar ist sicherlich anders.

Meine ursprüngliche Intention war es, zu sehen ob es durch ein schnelleres einfließen in den Kühler eine bessere Effizienz des Kühlers gibt.
Ändert sich also irgendwann die Art der Strömung und durch mehr Verwirbelungen kommt es zu mehr Durchmischung des durchströmenden Wassers...also unabhängig davon, dass mehr Wasser auch mehr Energie abtransportiert.

Ich wollte wissen wie sich der "Kopplungsparameter" mit dem Durchfluss ändert.

Die Strömungsgeschwindigkeit ist für eine Turbulenzbeurteilung nicht geeignet. Eine Turbulenz ist immer abhängig von Geometrie und dem Wandabstand.

Du hast es vorher auch nur abgeschätzt....

Richtig, die Reynoldszahl im ersten Post war nur überschlägig

Aber vergiss es einfach

 

[Duke711]

Du hast es vorher auch nur abgeschätzt....

Aber vergiss es einfach

Ja um zu zeigen, dass die Mikrokanäle keine Turbulenzverursacher sind, und sich hier die Turbulenz am letzten ausbreitet.

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[Duke711]

Update

Gleiches Spiel:

Bereich A

60 L/h // 2642
80 L/h // 3546
120 L/h // 5283
160 L/h // 7093
230 L/h // 10133

Bereich B, was auch als "Düse" bezeichnet wird

60 L/h 1982


Bereich C:

60 L/h 160
380 L/h 1200

Auch hier geht wieder keine Turbulenz von den Rechteckkanälen aus. Bei der "Düse" allerdings bilden sich wie beim Eingangsrohr ab 60 L/h schon kleine Turbulenzen aus, turbulentes Übergangsgebiet. Was ich noch vergessen habe zu erwähnen, auch bei Rechteckkanälen mit einem Querschnittsverhältnis von bis zu 10, verhält sich die Strömung bis ~ 2000 laminar. Einziger unterschied zum Kreisrohr ist die turbulente Übergangsphase, hier hat sich ab ~ 3500 schon eine volle Turbulenz entwickelt.
Die Rohrrauhigkeit hat bei Mikrokanälen übrigens erst ab k/d > 6% einen Einfluss, vorher nicht.

 

[Duke711]

Update zum Heatkiller, siehe Ursprungspost