المستند التعريفي التمهيدي: استخدام CFD لمراكز البيانات
مقتطف من الورقة البيضاء الصادرة عن EOLIOS حول مراكز البيانات
- فريق متحمس
- عقارات حصرية
- جميع القطاعات
- مركز البيانات
- فريق متحمس
مواصلة التصفح :
آخر أخبارنا :
مشاريعنا :
مجالات خبرتنا :
الملفات الفنية :
ورقة بيضاء
الحمل الحراري في مراكز البيانات في السنوات الأخيرة. وهذا الاتجاه مستمر، حيث أن هناك عملية تقليل حجم المعدات الإلكترونيات مع الزيادة المتزامنة في طاقة الحوسبة، مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الحرارة لكل وحدة (وحدة من ارتفاع حامل الخادم). بينما كان يبدو قبل بضع سنوات مضت أن قدرة التبريد البالغة 5 كيلوواط لكل رف خادوم كافية تمامًا لتغطية جميع الاحتياجات الحالية والمتوقعة للعملاء في المستقبل القريب، إلا أنه توجد الآن معدات في السوق، حتى وإن لم تكن رف الخادم بأكمله، فهي تملأه, تعطي أكثر من 10 كيلو وات.
جميع مصنعي الخوادم تقريباً لديهم مثل هذه المعدات. تقدم المجموعات الرئيسية نظام تكنولوجيا معلومات موحد، والذي يحقق استهلاك طاقة 6U يبلغ 2 كيلوواط أو أكثر حسب وضع التشغيل. ليس من غير المألوف أن يتم توليد أكثر من 10 كيلوواط من الحرارة لكل حامل، مع رفوف تصل إلى 45 كيلوواط.
تؤدي المحاكاة الافتراضية للخادم إلى زيادة تبديد الحرارة من معالج واحد
استخدام تقنية المحاكاة الافتراضية للخادم “يجعل الوضع أسوأ”.
يمكن للخوادم الافتراضية زيادة حملها بشكل كبير ، وإذا كانت المعالجات القديمة خاملة لمدة 75-85٪ من الوقت ، فعند استخدام المحاكاة الافتراضية ، يزداد حمل وحدة المعالجة المركزية في الخوادم بشكل كبير ونتيجة لذلك ، يتم توليد المزيد من الحرارة على الخادم.
تؤكد أفضل ممارسات ASHRAE لكفاءة الطاقة في مرافق مركز البيانات هذه البيانات.
تتزايد الحرارة الناتجة عن الحامل باستمرار.
لذلك، عند تصميم مركز بيانات حديث، من الضروري التركيز على الأحمال الحرارية التي تبلغ 10 كيلوواط أو أكثر لكل رف خادم، وذلك عند تصميم مركز بيانات حديث.
أو، كملاذ أخير، من الضروري تخصيص مناطق محددة في غرفة كمبيوتر مركز البيانات، والتي ستوفر التبريد من 10 كيلوواط لكل رف خادم، كحل أخير.
للحصول على إجابة دقيقة بما فيه الكفاية على هذا السؤال، لم يعد يكفي أن يستخدم المصمم معادلة التوازن الحراري فقط مع إضافة هامش قدرة تبريد يتراوح بين 10% إلى 20% وبرنامج Excel.
ما هو تأثير الصيانة؟
عدد من المشاكل عند تشغيل مراكز البيانات
ينشأ عدد من المشاكل أيضاً عند تشغيل مركز بيانات قائم، حتى مع وجود أحمال حرارية منخفضة.
على سبيل المثال، بعد تركيب معدات إضافية، يمكن أن تظهر مناطق ميتة في مركز البيانات.
يمكن أن تحدث مناطق محلية من ارتفاع درجة حرارة المعدات (المعروفة باسم البقع الساخنة) أو على العكس من ذلك، يمكن أن تحدث مناطق ذات درجة حرارة منخفضة إلى حد ما في مراكز البيانات (لأنظمة التبريد الطبيعية).
من الواضح أن ارتفاع درجة حرارة الخوادم وأنظمة تخزين البيانات والشبكات ومعدات الاتصالات السلكية واللاسلكية أمر سيئ؛ فعاجلاً أم آجلاً، سيؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى أعطال، وبالتالي فقدان محتمل للبيانات.
من ناحية أخرى ، تؤثر الرطوبة النسبية سلبا أيضا على تشغيل الخوادم وأنظمة تخزين البيانات.
تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى زيادة الرطوبة ، مما قد يؤدي إلى التكثيف.
يجب ألا تتجاوز الرطوبة النسبية ، وفقا ل ASHRAE ، 80٪.
تقوم بعض الشركات المصنعة بدمج مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة النسبية في الخوادم وأنظمة التخزين ، ويمكن لخانقات البرامج إيقاف تشغيل الأجهزة عند تجاوز حدود الرطوبة ودرجة الحرارة.
إن درجة الحرارة في غرف الخوادم، حيث يتم تركيب معدات تكنولوجيا المعلومات وتشغيلها، محدودة بالمعايير ليس فقط بالحد الأعلى، ولكن أيضًا بالحد الأدنى.
فوفقًا لأحدث متطلبات اللجنة الفنية TC 9.9 التابعة للجمعية الأمريكية لمهندسي الطاقة الحرارية (ASHRAE) المنشورة في عام 2016، يجب ألا تقل درجة الحرارة في غرفة الخادم عن 18 درجة مئوية.
بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى عدم كفاءة استخدام الكهرباء، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف تشغيل مركز البيانات.
لمكافحة البقع الساخنة المحلية، قد يضطر العميل إلى تركيب مراوح أرضية بالقرب من رفوف الخادم، أو تركيب وحدات تبريد هواء أو سائل إضافية (إذا كان هناك بالطبع مساحة لها).
ومع ذلك، فإن استخدام مثل هذه الأساليب “الجذرية” ليس بالضرورة ضرورة. ولكن في بعض الأحيان يتبين أنه يجب استبدال شيء واحد فقط: قد يكون الأمر مجرد إزالة أو إضافة شبكات إلى الأرضية المرتفعة ويمكن حل المشكلة.
ومع ذلك، من الصعب للغاية تحديد الاختناقات دون أدوات برمجية خاصة ومعرفة دقيقة بالتأثيرات الديناميكية الهوائية الحرارية.
في كثير من الأحيان، يستخدم العميل مساحة مركز البيانات بشكل غير فعال للغاية، دون تحميل الخزانات بالكامل وتوزيع المعدات بالتساوي (إذا كان من الممكن القيام بذلك على الإطلاق).
ولكن كان من الممكن تجنب كل ذلك من خلال إنشاء نموذج ديناميكي حراري ديناميكي حراري لمركز البيانات وإجراء حسابات التحسين بناءً على هذا النموذج.
ما مدى ارتفاع الأرضية المرتفعة في مركز البيانات؟
عند تصميم مركز بيانات جديد، يكون لدى المهندس المعماري المسؤول عن المشروع سؤال واحد دائماً: ما هو الارتفاع الذي يجب أن تكون عليه الأرضية المرتفعة في مركز البيانات؟
من الواضح أنه كلما كانت الأرضية المستعارة، كلما زادت مقاومة تدفق الهواء، كلما زادت مقاومة تدفق الهواء، كلما أمكن تخزين شبكات أكثر تنوعًا (شبكات المياه وصواني الكابلات والكابلات)، ويمكن وضع هياكل ومعدات إضافية تحت الأرضية المستعارة، على سبيل المثال، شبكات توزيع الطاقة أو نقاط الدمج لنظام الكابلات المهيكلة…
ومع ذلك، كلما زاد ارتفاع الأرضية المرتفعة، ستزيد تكلفة هيكل المبنى، وبالمناسبة، ستقل المساحة بين الأرضية المرتفعة والسقف، مما قد يجعل من الصعب إنشاء نظام أنابيب لتزويد وحدات التبريد بالهواء الدافئ (CRAH).
قبل بضع سنوات، تم نشر توصية بشأن ارتفاع الأرضية المرتفعة بالنسبة للمساحة السطحية لغرفة الماكينات في مركز البيانات.
مع حجم غرفة المحرك حتى 70 مترا مربعا ، يجب أن يكون ارتفاع الأرضية المرتفعة على الأقل 400 – 500 مم ، إذا كانت مساحة الغرفة أكبر من 100 متر مربع، يجب ألا يقل ارتفاع أرضية الوصول المرتفعة عن 500 – 700 مم على الأقل؛ إذا كانت غرفة الماكينات أكبر من 300 متر مربع، يجبألا يقل ارتفاع أرضية الوصول المرتفعةعن 700 مم. تعمل هذه القاعدة الأساسية عندما لا تتجاوز الحمولة لكل رف 5 كيلوواط ولا يتم استخدام تقنية عزل الهواء الساخن والبارد (الفصل بين الممرات الساخنة والباردة). من أجل الحصول على إجابة دقيقة على سؤال ارتفاع الأرضية المرتفعة ، يوصى بإجراء محاكاة CFD لتدفقات الهواء ، وحساب العديد من الخيارات واختيار أنسبها.
ما هي محاكاة CFD؟
CFD هو اختصار لديناميكيات الموائع الحسابية.
باستخدام برنامج متخصص، ينشئ المستخدم نموذجًا ثلاثي الأبعاد لجسم ما، ويفرض شروطًا حدودية معينة، ويختار نماذج تمثل الظواهر الفيزيائية التي تحدث في الأوساط الغازية والسائلة (انتقال الحرارة، وتدفق الأوساط، والتوصيل الحراري، والإشعاع، والحمل الحراري، وما إلى ذلك)، ويختار طريقة حسابية ويجري الحسابات… بناءً على نتائج الحسابات التي تم الحصول عليها، يقوم المستخدم بتقييم نموذج الحاسوب وتعديله، إذا لزم الأمر، وإجراء الحسابات مرة أخرى. استناداً إلى نتائج الحسابات التي تم الحصول عليها، يقوم المستخدم بتقييم نموذج الحاسوب وتعديله، إذا لزم الأمر، وإجراء الحسابات مرة أخرى.
الهدف من النمذجة هو تدوين الظواهر الفيزيائية بأكبر قدر ممكن من الدقة، ومن ثم إيجاد حل مناسب ومرضٍ لأي مشاكل تصميمية قد تواجهها.
تُستخدم نتائج المحاكاة عند اتخاذ قرارات التصميم، لزيادة تحسين النموذج الذي تم إنشاؤه للمصنع، وتحديد الاختناقات في المصنع العامل وتحسين نظام التشغيل.
استخدام محاكاة CFD في مراكز البيانات
لسوء الحظ، يمكن أن يؤدي ارتفاع درجات حرارة التشغيل تقليل زمن الاستجابة في حالة حدوث ارتفاع سريع في درجة الحرارة بسبب تعطل وحدة التبريد.
يتعرض مركز البيانات الذي يحتوي على خوادم تعمل في درجات حرارة أعلى لخطر التعرض لـ فشل فوري في الأجهزة في نفس الوقت.
تؤكد لوائح ASHRAE الأخيرة على أهمية الرصد الاستباقي لدرجة الحرارة البيئية داخل غرف الخوادم. تعتبر مراكز البيانات عناصر مثالية لنمذجة تكنولوجيا المعلومات لأن لا يمكن إنشاء نموذج أولي أو نموذج مادي لمركز بيانات. وبدون إنشاء نموذج مركز بيانات ، من المستحيل التنبؤ بدقة كافية بكيفية أداء نظام تكييف الهواء في منشأة تشغيل فعلية ، وكيف سيتصرف نظام تكييف الهواء عندما يتغير الحمل ، وكيف ستتغير درجة الحرارة في صف من رفوف الخادم ، وعلى طول ارتفاع كل رف.
عند تصميم نظام تكييف هواء لمركز البيانات، يجب أخذ عدد كبير من المعلمات في الاعتبار.
وفيما يلي عدد قليل منها:
- حجم وحجم الغرفة ؛
- استثمار خزائن الاتصالات السلكية واللاسلكية والرفوف في غرفة الخادم ؛
- ارتفاع الأرض مرفوع; اتجاه وحجم وسرعة حركة تيارات الهواء البارد ؛
- مكان معدات تكييف الهواء
- أنواع المروحة المستخدمة واتجاه تدفق الهواء,
- النظر في العوائق التي تحول دون تدفق الهواء البارد;
- نوع البلاط وهندسة المنافذ .
عند تصميم نظام تكييف الهواء دون استخدام تحليل CFD, معظم هذه المعلمات لا تؤخذ في الاعتبار بشكل صحيح أو يتم أخذها في الاعتبار بشكل مبالغ فيه.
وفي الواقع، فإن التأثير الحقيقي على توزيع درجة الحرارة والرطوبة في غرفة مركز البيانات يعتمد على البارامتر المدروس لا يمكن تقديرها بشكل موثوق دون محاكاة حاسوبية دقيقة.
برنامج CFD لمراكز البيانات
هناك عدد كبير من البرامج في السوق التي يمكنها حل المشكلات المختلفة المتعلقة بمحاكاة تدفقات السوائل والغاز. تتضمن هذه البرامج ما يلي: ANSYS، و Autodesk CFD، و Xflow، و Open Foam، و Phoenics، و Flow Vent، و Flow Vent، و STAR-CD، و FASTEST-3، و Flow Vision، و Tile Flow، و Sigma6room، و Gas Dynamics Tool… ومع ذلك، لا تحتوي جميع برامج محاكاة التدفق الديناميكي الحراري على وحدات جاهزة للاستخدام ومكتبات للعناصر المتكاملة، مع مراعاة الخصائص المحددة لمراكز البيانات.
تحتوي برامج مثل Tile Flow و Sigma 6 على وحدات وبرامج ومكتبات مدمجة لمحاكاة تدفق الهواء في مركز البيانات.
بالنسبة للمهندسين الذين ليسوا معتادين على العمل مع برامج نمذجة CFD، من المنطقي التفكير في شراء هذا النوع من البرامج، والتي تحتوي بالفعل على نماذج جاهزة للاستخدام لحساب تدفقات الهواء في مركز البيانات، بالإضافة إلى مكتبات المعدات (مثل المراوح والمضخات ووحدات تكييف الهواء). في جميع الحالات، تعتمد جودة الدراسة على مستوى خبرة المهندس المسؤول عن المحاكاة.
يجب إجراء هندسة CFD بواسطة متخصصين.
مراحل تصميم نمذجة CFD لمركز البيانات
استعادة فرضيات الدراسة
قبل إجراء عملية نمذجة مركز بيانات قائم، من الضروري إجراء دراسة كاملة ودقيقة للجسم: قياس سرعة تدفق الهواء، وقياس الضغط، وقياس الضغط، وقياس درجة الحرارة، وتحديد قنوات دوران الهواء، واكتشاف العوائق والمواقع المحتملة لتسريبات الهواء.
وبعبارة أخرى، فإن مهمة فحص جسم موجود بحد ذاتها شاقة للغاية ولكنها مع ذلك مفيدة للغاية.
لأنه في عملية جمع البيانات، يتم تحديد الاختناقات.
ولحل مشكلة إنشاء نموذج لمركز بيانات جديد، من الضروري جمع البيانات الأولية من المساحة والتحقق من صحة الافتراضات حول التقنيات والأجهزة المستخدمة.
النمذجة ثلاثية الأبعاد لمركز البيانات
وتتمثل الخطوة التالية في إنشاء نموذج هندسي لمركز البيانات (أو التوأم الرقمي) والعناصر التي يتكون منها مركز البيانات.
يتم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للعنصر باستخدام برامج CAD، ثم يتم تصدير البيانات إلى وحدة محاكاة CFD.
إنشاء الشبكة
بعد ذلك ، إنها مسألة إنشاء نموذج الدقة. يتم تنفيذ هذه الخطوة في البرامج التي تستخدم وحدات برامج إنشاء الشبكات المتكاملة أو باستخدام منتجات برامج منفصلة.
تعتمد الدقة والتقارب والسرعة الحسابية على الشبكة. تعتمد جودة النتائج التي تم الحصول عليها بشكل مباشر على جودة الشبكة (الدقة ، تكيف الشبكة ، إلخ).
بعد مرحلة بناء الشبكة ، يجب على المستخدم التحقق من جودة الشبكة المبنية من خلال معلمات مختلفة (عدم تناسق العناصر ، نسبة العرض إلى الارتفاع).
تنفيذ الشروط الحدودية وعمليات المحاكاة
يتم إدخال الشروط الحدية في البرنامج واختيار النماذج وفقًا للافتراضات، ثم يتم إجراء عملية حسابية، والتي قد تتقارب أو تتباعد (أي لا يكون لها حل صحيح) وفقًا للمعايير المختلفة أعلاه.
بعد التقارب، يمكن معالجة نتائج الحسابات بواسطة برامج خاصة وعرضها في شكل رسوم بيانية أو جداول أو حتىرسوم متحركة، مما يوضح بوضوح التغيرات في المعلمات الفيزيائية.
بالنسبة لمراكز البيانات، يتم استخدام التمثيل المرئي للبيانات المحسوبة بشكل عام في شكل توزيع درجة الحرارة على مساحة غرفة الكمبيوتر وارتفاع رفوف الخوادم.
ثم يقوم المهندس بعد ذلك بتحليل النتائج المحسوبة، وإذا لزم الأمر، يقوم بتعديل نماذج الكائنات وإجراء الحسابات مرة أخرى.
ما تأثير ذلك على التصميم؟
تُمكِّن أدوات التصميم الحديثة مهندسي التصميم المتزامن مع الحِرَف المختلفة من التواصل مع مختلف الحرف، بحيث ببساطة شرح الظواهر في جذور المشاكل، ومن ثم اقتراح الحلول حلول مقترحة والتي يمكن بعد ذلك التحقق من صحتها بشكل جماعي.
الملخص
تحاكي برامج CFD تدفق السوائل والغازات ، بالإضافة إلى الظواهر الفيزيائية الأخرى المرتبطة بهذه العملية ، مثل ، على سبيل المثال ، نقل الحرارة.
توفر النمذجة الديناميكية الحرارية فرصا كبيرة لتحليل تدفقات السوائل والغازات ، مما يجعل من الممكن تصميم أنظمة أو معدات جديدة على مستوى احترافي عال أو لتحسين تشغيل الأنظمة الحالية.
وبدون استخدام نمذجة CFD، من المستحيل الحصول على إجابات دقيقة لأسئلة أساسية مثل توزيع درجات الحرارة والرطوبة على طول الممرات الباردة وارتفاع غرفة رف الخادم، كدالة :
- من الحمل الحراري;
- حيث يتم تركيب وحدات تكييف الهواء ؛
- درجة حرارة سوائل نقل الحرارة والمبردات;
- ارتفاع الأرضية المرتفعة;
- توزيع جداول البث;
- نوع المراوح والمعلمات الأخرى.
