Frage Statischer Druck bei Intake

[Kabelbinder]

Moin,

es ist ja hinlänglich bekannt, dass bei restriktiven Barrieren wie Kühlkörpern, Gittern und Fitern grundsätzlich auf den statischen Druck geachtet werden sollte, damit ein Lüfter einen konstanten Strom ohne ständig zurückgeworfene und sich dann verwirbelnde Luft aufrecht erhalten kann.
Wie sieht es aber nun auf Seiten des Einstromfeldes aus?

Die üblichen Pressure-Designs werden ja vor allem für Kühler und Radiatoren vermarktet und sollen dort mit breiten Flügeln möglichst hohen positiven Druck auf die Konstruktion ausüben. Bei Gehäuselüftern in der Front oder saugenden Lüftern an Kühlkörpern jedoch kommt es ja eher auf den möglichst stabilen Unterdruck im Einstromfeld an, damit die Luft nach Durchdringung der Barriere bestmöglich beschleunigt werden kann.

Dabei gilt es auch noch zu erwägen, welche Form der Blattgeometrie potenziell am wenigsten Strömungsabrisse und Verwirbelungen in unterdrucklastigen Szenarien hervorruft. Meinem Eindruck nach scheinen druckoptimierte Lüfter mit eher wenigen aber dafür etwas breiteren Flügeln da grundsätzlich störungsfreier zu arbeiten. Unter Umständen ist das aber auch nur eine Begleiterscheinung des relativ geringen Luftdruchsatzes. Weniger Luftdurchsatz heißt schließlich auch weniger Turbulenz.

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Aktuell versuche ich, den Intake meines alten H440 etwas zu bändigen. Da die Strömungsgeschwindigkeit hinter dem Staubfilter bei den meisten Lüftern mit dem Anemometer gemessen doch erheblich einbricht, habe ich diesen nun erst mal entfernt. Seit dem habe ich nach Ansetzen der Frontblende teilweise erhebliche Probleme mit Strömungsgeräuschen, die bei steigender Drehzahl zu einer rasant an- und abschwellenden Geräuschkulisse führen.. Hörbar sind keine Schwebungen, sondern tatsächlich sehr deutlich schneidende Luftverwirbelungen. Ich gehe davon aus, dass die 90°-Winkelung der Lufteinlässe einerseits und der relativ geringe Abstand zwischen Lüfter und Frontblende andererseits zu massiven Turbulenzen führen, bei dem den 140ern in der Front regelrecht die Luft abgeschnitten wird.
Mein vorläufiges Workaround ist es, ein paar entkernte Billig-140er als Shroud vorzusetzen, sodass der Lufteinlass 25 mm mehr an Beruhigungsstrecke bekommt. Bisher funktioniert das auch schon erstaunlich gut. Davon abgesehen frage ich mich jedoch, wie bei solchen restriktiven Konstellationen am Intake generell bei der Lüfterentscheidung vorgegangen werden sollte. Ohne Gitter direkt vor dem Lüfter lieber flow-optimierte Lüfter? Oder doch besser druckoptimierte Modelle, die mehr Sogwirkung gegen den angewinkelten Lufteinlass aufbauen können?

Was meint ihr?
Was sagen eure Erfahrungen in Theorie und Praxis?

VG
Kabelbinder

 

[Martin Gut]

Hallo Kabelbinder

Ich habe mehr Erfahrung mit der Aerodynamik vom Modellfliegern als mit PC-Lüftern. Ich habe 10 Jahre selbst Modellflieger gebaut und getestet. Darum habe ich recht viel über Aerodynamik nachgelesen.

Von den Werbefloskeln von flow-optimiert und statischem Druck halte ich nicht viel. Je langsamer und kleiner Propellerblätter sind, in einem um so schwierigeren Bereich laufen sie aerodynamisch. Damit ein Propeller gut funktioniert, braucht er eine hohe Geschwindigkeit und ungehindert an und abströmende Luft. Bei so langsamen Luftbewegungen weicht die Luft auch sehr gerne aus und nimmt den bequemsten Weg. Da funktioniert vieles nicht mehr so, wie man es sich vorstellt.

Hinter einem Staubfilter messen kann schlechter wirken, als es ist. Durch den Staubfilter wird der Luftstrahl in alle Richtungen verteilt. Dadurch misst man in gerader Richtung weniger als wenn die Luft gerade ausströmen kann. Natürlich bremst der Filter, aber nicht so stark wie die Messung einbricht.

Ich habe mich schon oft gefragt, was die Druckmessung bei Lüftern in der Praxis aussagen soll und habe bis heute keine Antwort darauf. Weder im Modellflug noch in der Luftfahrt misst man bei einem Propeller auf ähnliche Art einen Druckunterschied. Bei langsamerer Drehzahl und einem Widerstand wie Luftfilter oder Radiator verändern sich die aerodynamischen Verhältnisse so stark, dass die ganzen Messungen bei bestimmten Verhältnissen und bei voller Drehzahl praktisch nichts mehr aussagen. Durch die gebremste Luftgeschwindigkeit verändert sich der Anströmwinkel der Blätter und damit sehr viel am Verhalten.

Bei der Betrachtung eines Propellers oder Flügelprofils interessiert es einem, in welchem Bereich des Profils auf Ober- und Unterseite die Strömung laminar, teilweise laminar oder abgerissen verläuft. Da man bei solchen Lüftern keine Ahnung hat, wie die Blätter genau angeströmt werden, welche Profilform sie aufweisen und welche Eigenschaften sie genau haben, werden solche Betrachtungen recht sinnlos. In diesem Bereich sind die Randwirbel auch sehr entscheidend und haben grossen Einfluss auf den Luftstrom und den Luftwiderstand des Propellers.

Ich weiss gar nicht recht, was ich dazu sagen soll. Das ganze auf einzelne Begriffe wie flowoptimiert und statischer Druck zu reduzieren macht die ganze Betrachtung unsinnig. Die Aerodynamik ist viel zu komplex um sie so zu vereinfachen.

Den Propellern sieht man auch an, dass hier kein Aerodynamiker lange Forschungsreihen betrieben hat. Die verwendeten Profile sind für so langsame Drehzahlen ungeeignet und reagieren heikel auf Anströmwinkelveränderungen. Da hat man einfach bewährte Profile mit gutem Willen etwas angepasst und hofft, dass es funktioniert.

Ich gehe davon aus, dass die 90°-Winkelung der Lufteinlässe einerseits und der relativ geringe Abstand zwischen Lüfter und Frontblende

Das ist sicher nicht ideal, wenn die Luft von der Seite auf die Propeller strömt. Durch den Aufgesetzten Rahmen hast du ja bereits eine Verbesserung erreicht. Wenn die Luft möglichst gerade und ungehindert zum Propeller gelangt, ist natürlich besser. Wenn man nicht so viel Luft im Gehäuse braucht, gehen solche Einführschlitze eher. Aber wenn viel Luft durch kleine Schlitze auf Umwegen ins Gehäuse soll, wird es schwierig.

 

[Kabelbinder]

Danke für deine Rückmeldung!

Ja, das Thema Aerodynamik ist wohl einfach eine schwierige Kiste. Stecke da selbst noch nicht all zu tief in der Materie. Meine Thesen schließe ich in dem Bereich größtenteils aus langjähriger praktischer Erfahrung. Wie so oft sind solche Ansichten jedoch immer relativ und varieren je nach Anwendungsfall.

Und ja, die Abwägung zwischen AF (Airflow) und AP (Air Pressure) ist natürlich zu weiten Teilen ein narrativ der Marketingabteilungen, die anstatt einem Modell lieber gleich zwei verkaufen wollen.

Davon mal abgesehen frage ich mich jedoch, was so die generellen Eigenschaften von Lüftern mit eher vielen schmalen Flügeln versus solchen mit eher weniger aber dafür breiteren Flügeln speziell in solch einem Szenario sind. Sofern man das überhaupt halbwegs generalisieren kann ...

Dass der Luftstrom durch solche Filter stark gestreut wird, leuchtet ein. Dennoch ist es mir bisher nicht gelungen, auch bei erneuter Bündelung durch Aufsätze und Reduzierstücke eine nennenswert hohe Strömungsgeschwindigkeit aufzuzeichen. Und das bei 40 mm Flügelrad wohlgemerkt. Mag aber auch sein, dass speziell das Gitter von NZXT da ein richtiges Negativbeispiel ist. Andere Ersatzfilter, die ich probeweise mal durchgemessen habe, warum zum Teil etwas besser.

So oder so geht durch solche Elemente jedenfalls der fokussierte Airflow verloren, der eigentlich direkt auf den CPU-Kühler zeigen sollte. Zudem verliert man bei Drehzahlen über 500 RPM schnell an Laufruhe, da die Filter ohne Abstand zum Teil extreme Turbulenzen verursachen.

An der Winkelung im Gehäuse kann ich leider wenig ändern. Löcher zu bohren kommt für mich aktuell nicht infrage. Eher nehme ich sämtliche Filter und Gitter raus und hoffe, dass es mit den Abstandhaltern einigermaßen passt.

Für mich steht dann nur noch die Frage im Raum, welche Lüfter es werden sollen. Hadere derzeit zwischen den Arctic BioniX F140 / BioniX P140, dem P14s Redux und dem NF-A14 / Scythe Flex / TY147B (die designtechnisch fast identisch sind). Laufruhig sind die (bis auf kleine drehzahlabhängige Resonanzen) generell alle.

Erscheint wirklich schwer, die Auswirkungen von Fördervolumen versus statischer Druck unter Hinzunahme der Wechselwirkungen mit dem spezifischen Design praktisch vorherzusagen. Dafür bräuchte es vermutlich hochauflösende Simulationen.

Muss ich wohl wieder einbauen, Temps messen und Geräusche aufzeichnen...

 

[Martin Gut]

Davon mal abgesehen frage ich mich jedoch, was so die generellen Eigenschaften von Lüftern mit eher vielen schmalen Flügeln versus solchen mit eher weniger aber dafür breiteren Flügeln speziell in solch einem Szenario sind. Sofern man das überhaupt halbwegs generalisieren kann ...

Es gibt Zusammenhänge, die klar sind, aber auch viele andere Einflussfaktoren die schwer einzuschätzen sind. So kleine Lüfter sind eigentlich immer in einem miserablen Bereich in dem Flügelprofile noch wenig Auftrieb erzeugen aber einen hohen Widerstand haben. Bei der Beschreibung der Eigenschaften eines Profils ist dafür die Reynoldszahl wichtig. Jedes Flügelprofil wird bei tiefer Reynoldszahl schlechter und unter einem gewissen Wert wird es richtig schlecht. In die Berechnung fliessen die Viskosität der Luft (des Fluids), die Geschwindigkeit, die Profiltiefe ein. Bei ähnlicher Reynoldszahl, ist das Verhalten ähnlich. Somit ist es besser, wenn sich die Blätter schnell bewegen und auch besser, je breiter sie sind. Ein Modellflieger kann darum nie die selbe aerodynamische Qualität haben und den selben Gleitwinkel erreichen wie ein richtiger Segelflieger, einfach weil er kleiner und langsamer ist.

Reynolds-Zahl – Wikipedia

de.wikipedia.org

Wenn man die Blätter mit dem selben Anstellwinkel breiter macht, wird aber der Lüfter dicker. Dazu kann es eher anfangen zu knattern, wenn wenigen Blätter viel Luft durchziehen. Bei höherer Luftgeschwindigkeit (ab 2.5 - 3 m/s) entstehen dazu auch mehr unangenehme Luftgeräusche. Deshalb möchte man lieber keine schnellen Lüfter. Deshalb muss man mit den Kompromissen dieser relativ schlechten Lüfter leben. Schon ein Propeller eines Modellfliegers könnte effizienter sein. Aber einen effizienten 25 cm-Propeller mit einer Drehzahl von über 10'000 RPM möchte ich im PC auch nicht haben.

Dafür bräuchte es vermutlich hochauflösende Simulationen.

Die mehr oder weniger hoch auflösenden Simulationen sind in der Aerodynamik nur für die groben Abschätzungen brauchbar. Wenn es genauer sein muss, kommt man nicht um Windkanaltests herum. Windkanäle sind aber selten und nochmals eine Grössenordnung teurer als Simulationen.

 

[hansdampf]

Die mehr oder weniger hoch auflösenden Simulationen sind in der Aerodynamik nur für die groben Abschätzungen brauchbar. Wenn es genauer sein muss, kommt man nicht um Windkanaltests herum. Windkanäle sind aber selten und nochmals eine Grössenordnung teurer als Simulationen.

Wenn das wirklich so wäre, würde man sich solch ein Aufwand sparen. Die Simulationen haben eine Abweichung von 0,1 - 5%, liegt darin begründet, dass man nicht jedes Detail wie Schrauben ect. zu 100% abbilden kann, ansonsten bräuchte man Supercomputer und dann wäre die Simulation deutlich teuerer als der Windkanal. Und sinnvoll wäre diese ebenfalls nicht. 5% entsprechen bei einem CW Wert von 0,3 gerade mal eine Abweichung von 0,015.

Im übrigen ist das mit dem statischen Druck ganz einfach:

Noctua NF-A12x25 im Test - auf dem Weg zur Lüfter-Referenz? - Hardwareluxx

Hardwareluxx testet drei Varianten des Noctua NF-A12x25.

www.hardwareluxx.de

Das ist der gleiche Sachverhalt wie bei der Pumpenkennlinie

Die Pumpenkennlinie und ihre Aussagekraft

Die Pumpenkennlinie setzt Förderhöhe und Förderstrom ins Verhältnis. Aber was sagt das aus? Jetzt besser einschätzen lernen.

heizung.de

Da hat man wohl dann doch nicht so die angebliche Expertiese von Aerodynamik, weil das einfache Grundlagen sind.

 

[FragwürdigesIndividuum]

Für mich steht dann nur noch die Frage im Raum, welche Lüfter es werden sollen. Hadere derzeit zwischen den Arctic BioniX F140 / BioniX P140, dem P14s Redux und dem NF-A14 / Scythe Flex / TY147B (die designtechnisch fast identisch sind). Laufruhig sind die (bis auf kleine drehzahlabhängige Resonanzen) generell alle.

Einfach mal mischen Ein P140 da, ein Kaze Flex dort. Einfachste Möglichkeit, die Klangcharakteristika vom Addieren abzuhalten.
Generell sollte die Ansaugseite des Lüfters so frei wie möglich sein (man sagt min. Distanz=Rahmenbreite), da die Strömung hier fast rein laminar und somit für Turbulenzen empfindlich ist. Da die Strömung auf der Exhaust-Seite ohnehin Turbulent ist, sind weitere Turbulenzquellen wie Gitter/Filter für die Akustik deutlich weniger relevant.
Deswegen halte ich vom Überdruckprinzip für Gehäuseairflow eher wenig. Lieber mehr freistehende Exhaust als strangulierte Einlass-Lüfter. Dein Abstandhalter ist natürlich eine super Lösung. Intuitiv alles richtig gemacht.

Ohne Gitter direkt vor dem Lüfter lieber flow-optimierte Lüfter? Oder doch besser druckoptimierte Modelle, die mehr Sogwirkung gegen den angewinkelten Lufteinlass aufbauen können?

Luftumlenkungen, Gitter, Filter, Gehäuseinhalt, etc. tragen alle zur Systemimpedanz bei. Je höher die Impedanz desto mehr Druck muss der Lüfter aufbauen um den erforderlichen Luftstrom zu liefern. Dabei ist vor allem das Band zwischen kompletter Restriktion und kompletten Freilauf interessant. Etwas, was von den Max Druck/Max Durchsatz Werten in den Specs überhaupt nicht erfasst wird. Schade, dass die Consumer-Hersteller keine Lüfterkennlinien wie von Hans gepostet angeben. In der Industrie ist das eigentlich gang und gebe damit Entwicklerinnen ohne rumprobieren gleich den richtigen Lüfter für die Anwendung auswählen können.

Dein Beispiel mit stärkeren Turbulenzen bei entfernten Filter ist interessant.
Ich gehe entweder davon aus, dass der Filter wie ein Strömungsgleichrichter funktioniert oder dass der Lüfter ohne den Filter einfach deutlich stärker saugt und deshalb auch lauter werden kann.

So oder so geht durch solche Elemente jedenfalls der fokussierte Airflow verloren, der eigentlich direkt auf den CPU-Kühler zeigen sollte. Zudem verliert man bei Drehzahlen über 500 RPM schnell an Laufruhe, da die Filter ohne Abstand zum Teil extreme Turbulenzen verursachen.

Ich behaupte, dass gerichteter Luftstrom bei einer weitestgehend geschlossenen Box, welche über einen klar definierten Intake und Exhaust verfügt, ziemlich egal ist. Die Lüfter sind ja eigentlich nicht dazu da irgendetwas anzupusten, sondern die Luft im Gehäuse auszutauschen. Dadurch dass dein Kühler einen Lüfter hat, wird die Luft schon genug gerichtet.
Freifeldmessungen mit dem Anemometer hinter dem Lüfter positioniert sind da glaube ich eher irreführend, da sie ja nicht den Durchsatz sondern die Luftgeschwindigkeit messen. Wenn, dann würde ich das Meter beim Exhaust platzieren.

 

[Kabelbinder]

Schade, dass die Consumer-Hersteller keine Lüfterkennlinien wie von Hans gepostet angeben.

Ist sicher auch eine Form von Selbstschutz.

Aber selbst wenn: Werden die üblichen Messkammern nicht alle im Push betrieben? Welche Aussagekraft haben die Werte dann überhaupt noch für den eher laminaren saugenden Betrieb? Ob das Flügelrad bzw. der Heißdraht 50 cm vor oder hinter dem Lüfter sitzt, macht ja durchaus einen Unterschied. Je nach Größe der gemessenen Fläche und der jeweiligen Abnahmetiefe in der Kammer vielleicht gar nicht mal so irrelevant.

Ich gehe entweder davon aus, dass der Filter wie ein Strömungsgleichrichter funktioniert oder dass der Lüfter ohne den Filter einfach deutlich stärker saugt und deshalb auch lauter werden kann.

Betroffen waren u.A. ein Venturi HF-14 und ein F140SP, die frei drehend selbst bei Maximaldrehzahl keine derartigen Geräusche verursachen. Es wird einfach an den Turbulenzen im Einstromfeld liegen. Standardmäßig haben die Lüfter in dem Case vorne gerade mal 10 mm zum Atmen. Das ist schon arg wenig. Und dazu wie gesagt auch noch der um 90° gedrehte Einlass. Das ist denke ich ein extremes Szenario, welches standardmäßig mit dem feinen Staubfilter aufgrund der verringerten Leistung einfach nicht so stark ins Gewicht fällt.

Ich habe auch schon überlegt, ob ich mir anstatt der entkernten 140er (die mir zur Zeit 25 mm mehr Puffer gewähren) eine etwas tieferen Windkanal aus MDF bauen soll. Damit hätten die beiden einsaugenden Lüfter noch mehr Beruhigungsstrecke und säßen obendrein noch mal näher an der GPU bzw. CPU, was sich meiner Erfahrung nach durchaus positiv auf die Temps auswirken kann.

Ich behaupte, dass gerichteter Luftstrom bei einer weitestgehend geschlossenen Box

Mein Seitenteil ist tatsächlich stark perforiert, weil ich das billige Plastikfenster ausgetauscht habe. Da ist ein gerichteter Airflow denke ich nie verkehrt. Auch die Grafikkarte kann profitieren, wenn die Luft von der Seite fokussiert auf die heißen VRMs gepustet wird, anstatt diffus drum herum gewirbelt zu werden.

Freifeldmessungen mit dem Anemometer hinter dem Lüfter positioniert sind da glaube ich eher irreführend, da sie ja nicht den Durchsatz sondern die Luftgeschwindigkeit messen. Wenn, dann würde ich das Meter beim Exhaust platzieren.

An der Stelle muss man in der Tat aufpassen. Es gibt einige Designs, die ihr Schnellemaximum insbesondere in den Randbereichen erzeugen. Wenn man dann lediglich nahe der Mitte misst, misst man wahrhaftig Mist. Versuche deswegen, wann immer möglich den Durchschnitt über mehere relevante Punkte zu ziehen.