In dit artikel hebben we een simulatie van een datacentrum uitgevoerd door (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012) nagebouwd in Siemens Simcenter STAR-CCM+. In het referentie artikel wordt een datacentrum doorgerekend welke 14 racks met elk 4 server units bevat. Er wordt in dit artikel gekeken naar het effect van schaling op de temperatuursverdeling in een datacentrum.
De resultaten van de simulatie op volledige schaal wordt nagebouwd in het artikel geschreven door (Nada, Said, & Rady, 2016), welke vergelijking ook wordt gebruikt in dit artikel. Het tweede artikel, geschreven door Nada et. Al., kijkt ook naar het effect van verschillende Computerruimte airconditioning (CRA/C) eenheden en het effect van een open koude gang in vergelijking met een gesloten koude gang.
Een schematisch overzicht van een typische opzet in een datacentrum is gegeven in Figuur 1.
Figuur 1: Voorbeeld van een typische opzet in een datacentrum (Cho, Lim, & Kim, 2009)
De simulatie is opgezet op dezelfde manier als beschreven in de referentie artikelen. De datacentrum ruimte bestaat uit een box met dimensies 6.71 x 5.49 x 3.0 m. In deze ruimte staan 14 zogenoemde racks welke elk een dimensie van 0.61 x 0.915 x 2.0 m hebben. Elk rack bestaat uit 4 servers met dimensies 0.61 x 0.915 x 0.5 m. De 14 racks zijn opgedeeld in twee rijen van elk 7 racks, en dus 28 servers. Elke rij staat 1.22m van de andere rij vandaan, als ook 1.22m van elk van de wanden vandaan. 14 geperforeerde tegels liggen in twee rijen van 7 tussen de twee racks in. Elke tegel heeft een dimensie van 0.534 x 0.534 x 0.15m en vormen samen de koude gang.
In het dak van het datacentrum zitten in totaal 6 openingen welke natuurlijke ventilatie verschaffen.
Een 3D-simulatie wordt uitgevoerd, waarbij gebruik wordt gemaakt van een gescheiden oplosser voor de stroming en energie vergelijkingen. De lucht wordt gemodelleerd als een idealgas. Zwaartekracht is toegevoegd in het model om rekening te kunnen houden met de verschillen in drijfvermogen van de lucht op verschillende temperaturen. Voor de turbulentie is gebruik gemaakt van het realistische twee-lagen k- turbulentiemodel. De tegels op de vloer worden gemodelleerd als een poreus medium.
Figuur 2: Datacentrum opzet
De geometrische opzet alswel als de randvoorwaarden zijn weergeven in Figuur 2. De geperforeerde tegels (onder de gele oppervlakten op de vloer) zijn gemodelleerd met een constante massastroom als instroom aan de ene kant en een raakvlak aan de andere kant (gele oppervlakten) aan de andere kant. Het raakvlak verbind de tegels met de serverruimte en zorgt ervoor dat de lucht zich vrij van de tegels naar de serverruimte kan bewegen. In groen zijn de oppervlakten weergeven waar de stroming een geforceerde massastroming krijgt om deze door de servers heen te bewegen. De gele oppervlakten aan de andere kant van de servers geven opnieuw raakvlakken weer, in dit geval zodat de lucht zich vrij van de servers weer terug naar de serverruimte kan bewegen. De oranje oppervlakten in het dak van de serverruimte zijn drukafvoeren. Hier kan de warme lucht het domein verlaten.
De instellingen van de simulatie zijn zo veel mogelijk gelijk gehouden aan de instellingen van de referentie paper, en worden samengevat in Tabel 1.
Tabel 1: Randvoorwaarden van het datacentrum CFD model (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012)
In de referentie artikelen wordt een kracht berekend welke rekening houdt met het veranderende impuls door de geperforeerde tegel in vergelijking met een volledig open tegel.
vergelijking 1
In deze vergelijking is V het volume van het door te rekenen lichaam in m3, ρ is de dichtheid van lucht in kg/m3, Q is de stroming door een volledig open lichaam in m3/s, σ is de openingsratio en A is het oppervlak van een volledig open lichaam in m2 (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012).
In Siemens Simcenter STAR CCM+ kan een poreus lichaam worden gebruikt om rekening te houden met een gedeeltelijk open lichaam. De verandering in druk over de dikte (ΔP/t ) over een poreus lichaam wordt beschreven aan de hand van de snelheid, v, een traagheidsweerstand, a, en een viskeuze weerstand, β. Deze waarden worden berekend aan de hand van vergelijking 2.
vergelijking 2
Door Q=Av en ΔP=F/A te substitueren in vergelijking 1 kan een equivalente vergelijking aan vergelijking 1 worden gevonden.
vergelijking 3
Gezien er geen term is voor de snelheid maar alleen voor de kwadratische snelheid wordt aangenomen dat de visceuze weerstand β=0. Verder wordt aangenomen dat de stroming door zowel de tegels als de servers in een enkele richting beweegt (z-richting voor de tegels en y-richting voor de servers).
Elke server wordt gemodelleerd als een poreus lichaam, zoals hierboven beschreven. Elke server bevat een volumetrische warmteproductie van 875W over het gehele volume.
Het model wordt gevalideerd door dezelfde datapunten welke de temperatuur beschrijven te gebruiken als welke worden gebruikt in de paper. De gebruikte temperatuursdatapunten zijn gevisualiseerd in Figuur 3.
Figuur 3: Temperatuurspunten (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012)
Figuur 4: Lijn 1 en Lijn 2 temperatuursvergelijkingen (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012) (Nada, Said, & Rady, 2016)
In Figuur 4 zijn de temperatuursresultaten op lijn 1 en lijn 2 weergeven. Deze datapunten weergeven dat de temperatuur in de serverruimte toeneemt van 12C op de inlaten naar ongeveer 22C in het datacentrum. Vanuit deze vergelijking kan de conclusie worden getrokken dat de temperatuur die gevonden wordt in de huidige berekening gedaan in STAR CCM+ in lijn is met de resultaten die gevonden worden in beide artikelen. Echter is de temperatuur welke berekend wordt in de huidige berekening wel wat lager dan wordt gevonden in beide artikelen. Dit komt hoogstwaarschijnlijk door de verschillende methodes die hier worden gebruikt, zoals een poreus medium in plaats van een vermindering van impuls en een volumetrische warmtebron in plaats van een oppervlakte warmtebron.
De temperatuursverdeling op het eerste en het middelste rack worden weergeven in Figuur 5. De maximale temperatuur in de serverruimte wordt gevonden op de buitenste racks. Omdat er stukken dichte vloer tussen de tegels zitten, is de temperatuursverdeling tussen de racks enigszins golvend, waarbij het minimale temperatuursfront net iets hoger komt boven het midden van een tegel in vergelijking met het minimale temperatuursfront boven een dicht stuk vloer. Dit gedrag kan zowel in Figuur 5 als in Figuur 6 worden gezien.
Figuur 5: Server racks vooraanzicht temperatuursverdeling
Figuur 6: temperatuursverdeling op z = 1.75m
Alhoewel de opzet van de simulatie zo veel mogelijk gelijk gehouden is met de simulaties die werden uitgevoerd door (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012) en (Nada, Said, & Rady, 2016) is de gevonden temperatuur in de serverruimte toch lager dan deze in de referentie artikelen. Dit is hoogstwaarschijnlijk door het gebruik van een poreus medium als wel als het gebruik van een volumetrische warmteproductie voor de servers.
Cho, J., Lim, T., & Kim, B. S. (2009, October). Measurements and predictions of the air distribution systems in high compute density (Internet) data centers. Energy and Buildings, 41(10), 1107-1115. doi:10.1016/j.enbuild.2009.05.017
Fernando, H., Siriwardana, J., & Halgamuge, S. (2012). Can a Data Center Heat-Flow Model be Scaled Down? 2012 IEEE 6th International Conference on Information and Automation for Sustainability (pp. 273-278). Beijing, China: IEEE. doi:10.1109/ICIAFS.2012.6419916.
Nada, S. A., Said, M. A., & Rady, M. A. (2016, June). CFD investigations of data centers’ thermal performance for different configurations of CRACs units and aisles separation. Alexandria Engineering Journal, 55(2), 959-971. doi:10.1016/j.aej.2016.02.025
Heeft u vragen of interesse in één van onze diensten? Neem dan vrijblijvend contact met ons op. Wij helpen u graag.
Bij Femto Engineering helpen we bedrijven hun innovatieve ambities te bereiken met specialistische engineering consultancy, software en R&D.
Wij zijn Siemens DISW Expert Partner voor Simcenter Femap, Simcenter 3D, Simcenter Amesim, Simcenter STAR-CCM+ en SDC Verifier. Neem contact met ons op en laat CAE software voor u werken.
Schrijf je nu in voor onze nieuwsbrief en ontvang maandelijks FEA kennis, nieuws en tips gratis in je inbox.
