Optimalizace datových center pomocí CFD

Představte si své datové centrum jako živou čtvrť s rušnou městskou ulicí. Stejně jako to, jak ruch městského života generuje teplo z pohybu vozidel, strojů a lidí, husté nabití serverů a IT zařízení generuje značné teplo. Datová centra nepociťují horko jen ze svých vlastních provozů. Čelí také horku klimatických změn.

Jak tedy můžeme zajistit, aby naše datová centra zůstala chladná a fungovala optimálně i navzdory těmto výzvám? Ve společnosti Oracle Cloud Infrastructure (OCI) s důvěryhodnými strategiemi chlazení hraje integrace analýzy dynamiky výpočtových tekutin (CFD) s principy inženýrského návrhu datových center klíčovou roli při navrhování a implementaci účinných a spolehlivých chladicích systémů pro datová centra.

Tento příspěvek si klade za cíl ponořit se do role analýzy CFD při návrhu mechanického systému datových center, prozkoumat, jak pomáhá při identifikaci potenciálních nedostatků, informuje o úpravách návrhu, aby se zabránilo selhání zařízení a zajistila integritu systému.

Co je CFD analýza?

Když se vrátíme k datovému centru jako analogii sousedství, představte si analýzu CFD jako urbanistu. CFD analýza je základním nástrojem pro podporu návrhu mechanického systému v datových centrech, stejně jako urbanista mapuje ulice a budovy. Umožňuje podrobnou simulaci proudění vzduchu, rozložení teploty a kolísání tlaku v prostředí datového centra, podobně jako plánovač města předpovídá vzorce dopravy. Vytvořením virtuálního modelu datového centra a použitím této simulace umožňuje CFD návrhářům vizualizovat, jak se vzduch pohybuje prostorem, a mohou určit potenciální horká místa a úzká místa v datovém centru. Tato horká místa a úzká místa představují riziko pro spolehlivost a životnost zařízení, stejně jako urbanista identifikuje oblasti náchylné k dopravním zácpám. Analýzou těchto horkých míst mohou pomoci zajistit, aby vaše chladicí systémy splnily daný úkol, podobně jako urbanista pomáhá zajistit, aby silnice a dopravní systémy zvládly tok lidí. Poskytuje výkonné prostředky pro vizualizaci a kvantifikaci účinků návrhových voleb na tepelné prostředí.

Jako konstruktéři infrastruktury datových center musíme přijít na to, jak využít modelování CFD, abychom pomohli zarovnat IT rozvaděče v datové hale a zároveň se snažili zajistit dostatečné proudění vzduchu do uliček před rozvaděči. Během dnů zvýšených přístupových podlah a perforovaných podlahových dlaždic nikdo neprováděl žádný typ kontejnmentu. Pochopení toho, kolik studeného přiváděného vzduchu by „obcházelo“ rozvaděče a kolik horkého odváděného vzduchu by recirkulovalo do předních částí rozvaděčů, bylo důležité.

Vyzkoušeli jsme několik scénářů typu „co kdyby“ s použitím tlumičů nebo převaděčů, které pomohly nasměrovat proudění vzduchu tam, kde bylo potřeba. Postupem času se rozsah těchto tlumičů a odbočovačů rozrostl na to, co nyní nazýváme úplné omezení: Úplné oddělení studené a horké strany IT rozvaděčů. Nakonec prozíraví designéři a koncoví uživatelé začali do všech svých nasazení začleňovat omezování a tento posun vedl k novějším osvědčeným postupům, které se konkrétně zabývají oddělením studeného a horkého vzduchu. Veškerý přiváděný vzduch vstupuje do rozvaděčů a zajišťuje produktivní chlazení, protože jediná možná cesta pro proudění vzduchu je z jednotky pro úpravu vzduchu v počítačové místnosti (CRAH) do studené uličky, přes IT rozvaděč do horké uličky a pak zpět do CRAH. k opětovnému ochlazení. V tomto přístupu můžete snížit celkové množství vzduchu dodávaného do datové haly, protože méně vzduchu se ztrácí při recirkulaci a bypassu.

Pokyny a osvědčené postupy pro průmyslový design nyní tento koncept dohnaly, takže pokud nyní přesně víme, jak dodávat vzduch do IT rozvaděčů a pokud víme, že máme dodržovat osvědčené postupy, jako je uzavření, horká ulička a studená ulička a jasné cesty pro proudění vzduchu, co ještě můžeme zlepšit? Odpovědí je spousta! CFD modelování se ukázalo být více než pouhou vizualizací rozložení teplotních, tlakových a rychlostních profilů. Optimalizace proudění vzduchu v datové hale má své jemnosti a CFD modelování je mimořádně cenným návrhářským nástrojem pro všechny aplikace datových center, a to i v případě, že je datová hala nakonfigurována v tom nejjednodušším uspořádání.

Ve složitém a kritickém prostředí datového centra je pochopení a ovládání tepelného prostředí životně důležité. Tato prediktivní schopnost je zásadní pro identifikaci potenciálních problémů dříve, než přerostou v problémy, které vedou k neefektivnímu chlazení, selhání zařízení nebo tepelnému úniku.

CFD modelování pro optimalizaci datových center 

CFD využívá principy mechaniky tekutin a termodynamiky způsobem, který využívá numerickou analýzu k řešení a analýze problémů týkajících se proudění tekutin. Pro modelování prostoru, jako je datová hala, musí být prostor segmentován do sítě s uzly. Čím menší je rozestup mezi jednotlivými uzly, tím více výpočetního času zabere vyřešení problému. Musíme vytvořit rovnováhu, abychom určili, jak granulární musí být řešení. Hrubým síťováním lze dosáhnout řešení rychle, ale nemusí být tak přesné, pokud jde o měřítko požadované pro konkrétní problém. Jemnější síť poskytuje přesnější řešení, ale výrazně prodlužuje dobu řešení.

Najdeme řešení v řešení termodynamických rovnic pro zachování hmoty, hybnosti a energie pro každý uzel. Pro každý průchod každým uzlem dostanete chybu nebo reziduum, a když je řešení opakováno stokrát nebo tisíckrát vložením výstupu do vstupu simulace, reziduum je minimalizováno a řešení je konvergované. Na této úrovni je každý uzel vyřešen podle svých fyzikálních vlastností, včetně teploty, vlhkosti, rychlosti a tlaku.

Při použití tímto způsobem pomáhá CFD analýza identifikovat rizika v rané fázi návrhu a umožňuje úpravy v uspořádání, chladicí infrastruktuře, nastavených hodnotách teploty a tlaku nebo strategiích řízení proudění vzduchu ke zmírnění potenciálních problémů. Účinnost CFD při navrhování a provozu datových center závisí na dodržování osvědčených postupů v průběhu celého procesu modelování. Tyto postupy zajišťují, že simulace CFD jsou nejen přesné, ale také relevantní pro výzvy reálného světa, které se snaží řešit.

Procesní kroky

Nyní vytvoříme model a provedeme situaci.

• Krok 1: Vytvořte 3D model datové haly

Vytváření 3D modelu je jako kreslení plánu sousedství.

Začněte s 3D-CAD reprezentací datového centra. Alternativně může software CFD vytvořit prostor a vložit pasivní objekty, které definují konfiguraci, tvar a hranice prostoru.

• Krok 2: Vložte aktivní objekty do prostoru

Neaktivní objekty jsou jako budovy a silnice v plánu.

Po jejich přidání můžete do virtuálního prostoru vkládat aktivní objekty. Tyto aktivní objekty představují zdroje přenosu tepla a hmotnostního toku, jako jsou IT rozvaděče se servery generujícími teplo, které zahrnují také serverové ventilátory, které pohybují vzduchem přes zařízení produkující teplo. Tyto objekty mají hranice a měly by být reprezentovány co nejpřesněji s ohledem na velikost, tvar, polohu, proudění vzduchu atd.

Aktivní předměty mohou také představovat přivádění vzduchu nebo vlhkosti do a ven z prostoru. Dodržujte fyzikální zákony, například přivádění vzduchu do modelovaného prostoru chladicím systémem je vyváženo přesně stejným množstvím hmoty extrahované z tohoto prostoru. Neméně důležité je znázornění tepelného zatížení, které by mělo odrážet skutečný tepelný výkon zařízení určeného k umístění v datové hale. Tato část vyžaduje podrobné informace o specifikacích zařízení a provozních vzorcích, včetně změn zatížení, které mohou ovlivnit tepelné prostředí. Musíte přesně zadat vlastnosti materiálů používaných v datovém centru a okrajové podmínky, jako jsou vnější teploty a rychlosti proudění vzduchu.

Přísloví „odpadky dovnitř, odpadky ven“ je zvláště relevantní v modelování CFD, kde přesnost výstupu přímo souvisí s kvalitou vstupních dat. Vstupy modelu musíte ověřit ověřením přesnosti fyzických a provozních dat použitých v simulaci, včetně křížových odkazů na specifikace zařízení, provedením měření skutečných rychlostí proudění vzduchu a kontrolou přesnosti provozních dat.

Aspektem modelu, který je často přehlížen, je únik mezi komponenty ve virtuálním prostoru, jako jsou mezery mezi sousedními IT rozvaděči, mezi IT rozvaděči a ochrannými stěnami, mezi zadržovacími panely a mezi rozvaděči a podlahou, na které stojany spočívají. Tento únik, jakkoli by se mohl zdát, je jediným možným zdrojem recirkulace a obtokového vzduchu. Odhadnout faktor úniku je obtížné. Modelář může předpokládat určité procento úniku celkového proudění vzduchu v prostoru, nebo, pokud se modelář postará o to, aby do modelu umístil dostatek detailů, aby fyzicky zahrnoval tyto zlomky palce, může být modelování přesnější.

Virtuální reprezentace datového sálu, jeho zatížení a jeho okrajových podmínek nemusí být nikdy realistickým pohledem na každodenní provoz. Ve většině případů představuje modelování CFD návrhový stav – nejhorší případ zatížení s plným počtem chladicích zařízení běžících za maximálních očekávaných podmínek.

Návrhář hledá náznaky, že chladicí systém může podporovat zátěž ve špičkové konfiguraci za stresových podmínek, jako je porucha redundantního zařízení. Pokud prostorová konfigurace funguje za těchto zátěžových podmínek, funguje i při nižším zatížení. Očekávat, že můžete řešit každé možné zatížení, je nesmyslné. Počet permutací zatížení a proudění vzduchu je téměř nekonečný.

• Krok 3: Spusťte model CFD

Když model a jeho aktivní a pasivní komponenty dobře reprezentují podmínky návrhu, spustí se síťová a výpočetní část simulace. Spuštění simulace s hrubou sítí, která umožní přibližné řešení, může poskytnout rychlý přehled, který demonstruje, zda jsou výsledky užitečné nebo realistické. Poté můžete upravit model a nastavit síť na jemnější nastavení, abyste získali přesnější reprezentaci modelu.

Použijte modelování CFD jako součást iterativního procesu navrhování, kde provádíte úpravy návrhu na základě výsledků simulace a model je průběžně zdokonalován, dokud nedosáhnete požadovaného tepelného výkonu. Pomocí CFD modelování můžete simulovat dopad různých rozvržení rozvaděčů na vzory distribuce vzduchu a odhalit, jak určité konfigurace vedou k recirkulačním zónám a horkým místům v blízkosti rozvaděčů s vysokou hustotou. Poté můžete upravit rozložení, dokud datové centrum nedosáhne rovnoměrného rozložení teploty.

Podívejme se na skutečnou případovou studii, ve které bylo CFD modelování použito k určení správného umístění tlakových senzorů, a uvidíme, jak CFD modelování řídí strategické umístění těchto senzorů při návrhu datového centra.

Umístění snímače tlaku v horké uličce v designu datového centra

Nejlepším postupem pro uspořádání datového centra je uspořádat řady IT rozvaděčů tak, aby jednotky CRAH mohly dodávat studený vzduch do studených uliček a odvádět horký vzduch z horkých uliček. Přední strana každého stojanu směřuje do studené uličky, zadní strana každého stojanu směřuje do horké uličky. Mezi další osvědčené postupy patří údržba izolačních panelů tak, aby studený vzduch nemohl obejít IT rozvaděče a dostat se do horké uličky, což by plýtvalo chladicí kapacitou, ani nemůže horký vzduch „recirkulovat“ do studené uličky, což by kontaminovalo studený vzduch a zvýšit jeho teplotu.

Jedním z běžných osvědčených postupů je řídit proudění přiváděného vzduchu do datové haly, aby se mezi studenou uličkou a horkou uličkou udržoval mírně přetlak. Tímto způsobem je do horké uličky obtékáno pouze minimální množství vzduchu a do studené uličky může recirkulovat jen málo vzduchu nebo žádný vzduch. Dodržování osvědčených postupů nevyžaduje modelování CFD. Nejlepší postupy jsou zapracovány do pokynů pro návrh, aby byl vytvořen systém, který by měl fungovat.

Ale tady to začíná být zajímavé: Umístění snímače tlaku v horké uličce nemusí nutně odpovídat určitým osvědčeným postupům. Pokud senzory tlaku v horké uličce nalepíte přímo za rozvaděč, nemusí naměřené hodnoty odpovídat podmínkám v horké uličce a v datové hale, pokud je rozvaděč vysokovýkonný rozvaděč s vysokým průtokem vzduchu.

Potřebujeme tedy zjistit nejlepší umístění pro senzor tlaku v horké uličce a kolik senzorů je potřeba, aby byly co nejreprezentativnější pro celkový stav v datové hale. Na to může odpovědět CFD model. Analyzovali jsme celou datovou halu s mnoha páry horkých a studených uliček pomocí pěti různých modelů. U každého modelu nebyl snímač tlaku ve studené uličce znepokojivý, protože studené uličky jsou široké a rychlosti vzduchu jsou relativně nízké. U horkých uliček nebyl případ stejný. Obrázek 1 ukazuje jednoduchou reprezentaci jednoho páru horké a studené uličky a neukazuje plný rozsah všech senzorů ve více uličkách, které byly modelovány jako souhrn.

U pěti modelů jsme viděli následující výsledky:

Obrázek 1: Ukázkové znázornění použití CFD modelování jako konstrukčního nástroje pro umístění senzoru tlaku v horké uličce.

1. První model CFD má tlakové senzory přímo za stojanem. Snímač je vystaven změnám rychlosti vzduchu, které výrazně ovlivňují odečet tlaku.
2. Druhý model má tlaková čidla uprostřed horké uličky. Stejně jako v prvním modelu je snímač stále vystaven příliš mnoha variacím od pozice stojanu k poloze stojanu a nemůže poskytnout dobrý souhrnný údaj pro horkou uličku.
3. Třetí model má tlaková čidla uprostřed horké uličky, ale zvednutá mimo proud výstupního vzduchu z rozvaděčů. Toto umístění poskytuje lepší odečet, ale může existovat mnoho variací v důsledku rychle stoupajícího proudu vzduchu, který může být stále vystaven velkým turbulencím v důsledku umístění na přijímacím konci dvou vysoce výkonných stojanů.
4. Čtvrtý model má tlaková čidla mezi kontejnmentem a komorou vratného vzduchu. V tomto místě se proudění vzduchu v horké uličce stabilizovalo a stává se dobrým indikátorem průměrného stavu v horké uličce. Zjistili jsme, že toto umístění také méně podléhá změnám a stává se dobrým indikátorem tlaku bez ohledu na zatížení každého stojanu.
5. Pátý model má tlaková čidla dále do cesty zpětného vzduchu, ve stropním přetlakovém prostoru zpětného vzduchu. Přestože se proud vzduchu při vstupu do prostoru stropu ustálil, tlak z horké uličky se již rozptýlil, protože se otáčí, vystupuje z horké uličky a případně se mísí s cestami zpětného vzduchu jiné horké uličky. Takže toto umístění není tak reprezentativní pro tlak v horké uličce.

Možnost 4 vykazovala nejstabilnější řízení, dodávající vhodný proud vzduchu do studených uliček a udržování rovnoměrného, ​​mírně přetlakového rozdílu mezi studenými uličkami a horkými uličkami. Ale toto řešení není „univerzální“. Musíme se smířit s tím, že každá konfigurace datové haly a výběr IT rozvaděčů a jejich související zátěže přináší jedinečné výzvy a řešení. CFD je cenný inženýrský nástroj, který spolupracuje s dobrými zásadami osvědčených postupů při inženýrství datových center, aby vaše datové centrum fungovalo hladce. Integrace poznatků CFD s osvědčenými postupy při návrhu datových center vede k optimálním řešením.

Závěr

Udržování optimálních tepelných podmínek v datových centrech uprostřed rostoucích problémů spojených s teplem a změnou klimatu je zásadní.

Zde jsou hlavní poznatky z cesty optimalizací datových center:

• Analýza výpočetní dynamiky tekutin (CFD) hraje klíčovou roli při navrhování a optimalizaci chladicích systémů datových center. Simulací proudění vzduchu a distribuce teploty pomáhá CFD identifikovat potenciální hotspoty a optimalizovat umístění kritických komponent, čímž zajišťuje účinné a spolehlivé chlazení za různých podmínek.
• Integrace poznatků CFD s osvědčenými postupy při návrhu datových center je zásadní pro udržení efektivního a spolehlivého provozu, což nám umožňuje čelit výzvám spojeným s výrobou tepla a klimatickými změnami.

Oracle Cloud Infrastructure (OCI) nadále posouvá hranice návrhu a provozu datových center a zajišťuje, že zařízení jsou připravena splnit požadavky dneška i výzvy zítřka.

Zajímá Vás problematika Oracle více? Kontaktujte nás!

Zdroj: Oracle