CFD仿真分析丨GPU显卡冷却风扇噪声分析
CFD仿真分析丨GPU显卡冷却风扇噪声分析
随着高性能GPU显卡的普及，如何在保证散热效果的同时降低风扇噪声，成为显卡设计中的一个重要课题。本文将介绍如何使用CFD仿真工具ultraFluidX对GPU显卡冷却风扇的噪声进行分析，通过详细的仿真流程和结果展示，为显卡散热系统的设计优化提供参考。
GPU冷却风扇的转速曲线
如何平衡冷却效能和气动噪声是风扇设计选型需要考虑的。在Inspire Studio中设计了一款带有3个冷却风扇的显卡，散热片采用3D打印的镂空结构，有效的增加散热面积。采用气动噪声专用分析工具ultraFluidX对流致噪声进行分析。
图1：GPU显卡冷却风扇设计示意图
ultraFluidX模型的风扇转动采用嵌套格子法（OverSet Mesh），Smagorinsky LES大涡模拟，近场噪声采用CAA方法直接求解。距离显卡1米远的球面上，在上下前后左右各布置6个麦克风, 噪声向远场传播采用FW-H模型。
冷却风扇参数
6个虚拟麦克风的位置
在前后处理工具HyperMesh CFD中导入风扇CAD模型，无需简化，求解参数设置花费人工约1小时，格子总数约为2.4亿，仿真时间2天@4*Nvida A100, 后处理和报告时间花费人工半天。
图2：显卡内部结构示意图
显卡内部结构
图3：显卡内部结构细节
空气流量结果
- 在HyperMeshCFD中对噪声进行信号处理。
- 从频谱曲线看，噪声信号具有明显的峰值，BPF及其谐波。
图4：频谱曲线分析
总声功率级， 20Hz窄带
图5：20Hz窄带总声功率级
总声功率级，1/3倍频程
从6个麦克风的数据可以看出噪声信号具有明显指向性，1号位置正对风扇上游，具有最强的信号。风扇在3600RPM转速下的总声功率级为52.4dBA。
图6：1/3倍频程总声功率级
6个麦克风的总声压级
HyperMesh CFD导入时域仿真结果，速度云图显示在显卡左右两侧的排风口格栅位置有很强的射流。
图7：显卡两侧排风口格栅位置射流速度云图
瞬态风速动画，水平切面
冷却气流并未充分到达发热部位，气流通道和换热器结构还有优化的空间。
瞬态风速动画，垂直切面
三维涡量等值面图显示较强的翼尖涡，此处叶片的线速度最大，而且存在间隙泄露。
图8：三维涡量等值面图
涡量等值面图
在HyperMesh CFD中导入时域的流场结果，进行FFT变换。
在对原始的风压信号进行过滤后，可以得到特定频带下的噪声信号。在这里，420Hz是我们感兴趣的频率，在频谱曲线上，表现为第一个峰值。从Band Filter Pressure的动画可以发现噪声源主要是旋转叶片和上游的吸入气流周期性碰撞摩擦造成的。
风压云图， 420Hz
可以看出在BPF 420Hz的频率下，噪声源主要是叶片表面，尤其是翼尖和Leading Edge深红色的区域。
在本例中风扇上游没有任何遮挡，来流相对比较均匀。如果在实际安装位置，上游有障碍物，气流在到达风扇吸入口之前就已经发生了扭曲，在同样的转速/流量下，通常会造成更强的BPF峰值。
图9：420Hz下的声压云图
总 结
以往的电子冷却风扇噪声更多的是依赖声学实验和经验积累，主要是因为传统的NS方程流体仿真方法模拟气动噪声需要耗费大量CPU，且复杂装配体的网格处理也耗费人工时间，仿真无法和设计迭代同步。
Altair为了给消费电子行业用户演示气动噪声的分析流程，设计了这款概念型电子产品。演示了Inspire Studio的造型设计，以及ultraFluidX的气动噪声仿真功能。
LBM算法的特点，前处理无需简化几何，低数值耗散，大涡模拟高精度瞬态求解，结合GPU并行计算的强大算力，可以模拟各类电子产品风扇冷却噪声的问题。相比实验，计算声学（CAA）仿真可以让工程师深入了解噪声产生的机理，判断噪声产生的位置，从而为降噪设计提供明确的优化方向。