Modelado y Análisis Numérico-Experimental de la Interacción Ventilador Axial-Chapa Perforada en Sistemas Electrónicos.

Abstract

El trabajo presentado en esta tesis se centra en la técnica de refrigeración basada en convección forzada de aire por medio de un ventilador axial (axial fan cooling) a nivel de subrack. El ventilador puede trabajar de dos formas distintas desde el punto de vista de su colocación: bien aspirando aire del sistema (pull configuration) o bien empujando aire al sistema (push configuration). Una de las principales diferencias entre ambas disposiciones se refiere al tipo de flujo que recibe el sistema en una y otra disposición, puesto que el flujo de entrada a un ventilador es principalmente unidireccional y en la salida sin embargo el flujo es muy caótico y tiene una gran componente tangencial. La problemática a la hora de realizar un diseño térmico mediante esta técnica surge debido a varios motivos como el tener que cumplir requerimientos de seguridad electromagnética, asegurar un adecuado flujo de aire para la refrigeración de los componentes o también el poco volumen del dispositivo electrónico que los clientes demandan. Para la seguridad electromagnética se utiliza una chapa perforada (EMC screen) y debido a la escasez de espacio se coloca muy próxima al ventilador. Desde el punto de vista hidráulico el colocar esta chapa resulta perjudicial. Por un lado puede afectar negativamente al rendimiento o a la curva característica del ventilador, y por otro, cuando la chapa está situada en la salida del ventilador la predicción de la caída de presión en la chapa perforada y del campo de velocidades a la salida de ésta es incierta debido a la fuerte componente tangencial del flujo. La presente tesis trata de solucionar mediante mediciones experimentales y técnicas de CFD la problemática entorno a este tipo de refrigeración. Para ello el trabajo realizado se ha dividido en dos estudios principales: el primero modela la influencia de la chapa en el rendimiento del ventilador y el segundo obtiene un modelado compacto (en forma de coeficientes de pérdidas de carga para las tres direcciones de un medio poroso) de la chapa perforada. Este modelo es rápido, robusto y puede ser utilizado dentro del modelado de un sistema electrónico. De cara a la realización de ambos estudios, se han diseñado y construido dos bancos de ensayos para la realización de dos análisis paramétricos experimentales. Basándose en las mediciones realizadas dentro del primer análisis paramétrico experimental se han presentado las influencias de los distintos parámetros sobre el rendimiento del conjunto chapa perforada-ventilador axial. De los resultados se han obtenido y presentado unas correlaciones para modelar la curva característica de dicho conjunto chapa perforada-ventilador. En esto ha consistido el primer estudio. El segundo análisis paramétrico experimental se ha realizado mediante la técnica de PIV y ha servido para la posterior validación del modelado matemático de CFD realizado de dichos experimentos. Gracias a esta validación se ha podido realizar un posterior estudio paramétrico numérico, utilizando un dominio 3D en el que la chapa perforada se ha modelado en detalle. A la hora de diseñar dicho estudio numérico ha sido utilizada la técnica de Diseño de Experimentos. Se ha obtenido la influencia de varios parámetros en la caída de presión de la chapa y en el campo de velocidades a la salida de la chapa perforada. Por otro lado, en base a las simulaciones realizadas se han obtenido los coeficientes de pérdidas de carga del modelado compacto (medio poroso) para cada geometría y condiciones de flujo. Por último, en base a estos coeficientes se han conseguido las correlaciones que dan los valores de estos coeficientes en función de los distintos parámetros geométricos y de operación incluidos en el segundo estudio paramétrico. En esto ha consistido el segundo estudio. Se considera que los resultados obtenidos son una herramienta de interés a la vez que útil para los diseñadores térmicos de equipos electrónicos.