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 زيادة كبيرةعلى مدى السنوات القليلة الماضية. ويستمر هذا الاتجاه ، لأن هناك عملية تقليل حجم المعدات الإلكترونيات مع زيادة متزامنة في الطاقة مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الحرارة لكل وحدة (وحدة واحدة من ارتفاع رف الخادم). إذا بدا قبل بضع سنوات أن سعة التبريد البالغة 5 كيلو واط لكل رف خادم كانت كافية تماما لتغطية جميع احتياجات العملاء الحالية والمخطط لها في المستقبل القريب ، فهناك اليوم معدات في السوق ، حتى لو لم يتم ملء رف الخادم بالكامل ، تعطي أكثر من 10 كيلو وات.
تقريبا جميع الشركات المصنعة للخوادم لديها مثل هذه المعدات. عرض المجموعات الكبيرة نظام كمبيوتر موحد ، والذي يحقق استهلاك طاقة يبلغ 6U من 2 كيلو واط أو أكثر حسب طريقة التشغيل. ليس من غير المألوف أن يتم توليد أكثر من 10 كيلو واط من الحرارة لكل رف ، نلاحظ 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 كيلو واط أو أكثر لكل رف خادم. أو ، كملاذ أخير ، من الضروري تخصيص مناطق محددة في غرفة كمبيوتر مركز البيانات ، والتي ستوفر التبريد من 10 كيلو واط لكل رف خادم.
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.
عدد من المشاكل عند تشغيل مراكز البيانات
هناك أيضا عدد من المشكلات التي تنشأ عند تشغيل مركز بيانات موجود ، حتى مع الأحمال الحرارية المنخفضة. على سبيل المثال ، بعد تثبيت معدات إضافية ، قد تظهر المناطق الميتة 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.
درجة الحرارة في غرف الخوادم ، حيث يتم تركيب وتشغيل معدات تكنولوجيا المعلومات ، محدودة بالمعايير ليس فقط بالحد الأعلى ، ولكن أيضا بالحد الأدنى. وفقا لأحدث متطلبات اللجنة الفنية ASHRAE TC 9.9 المنشورة في عام 2016 ، يجب ألا تقل درجة الحرارة في غرفة الخادم عن 18 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي درجة الحرارة المنخفضة إلى الاستخدام غير الفعال للكهرباء ، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف تشغيل مركز البيانات.
لمكافحة النقاط الساخنة المحلية ، قد يطلب من العميل تثبيت مراوح أرضية بالقرب من رفوف الخادم ، أو تركيب وحدات تبريد هواء أو سائل إضافية (إذا كان هناك بالطبع مجال لتركيبها). ومع ذلك ، فإن استخدام مثل هذه الطريقة “الجذرية” ليس بالضرورة ضرورة. لكن في بعض الأحيان يتبين أنه كان يجب استبدال شيء واحد فقط: يمكن إزالة أو إضافة شبكات من الأرضية المرتفعة ويمكن حل المشكلة. ومع ذلك ، من الصعب للغاية تحديد الاختناقات بدون أدوات برمجية خاصة ومعرفة دقيقة بالتأثيرات الحرارية الهوائية. 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). ولكن كان من الممكن تجنب كل هذا من خلال إنشاء نموذج ديناميكي حراري CFD لمركز البيانات وإجراء حسابات التحسين وفقا لهذا 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 ، مع زيادة ارتفاع الأرضية المرتفعة ، ستزداد تكلفة هيكل المبنى ، وبالمناسبة ، ستنخفض المساحة بين الأرضية المرتفعة والسقف ، مما قد يعقد إنشاء نظام مجاري الهواء لتزويد وحدات التبريد بالهواء الساخن (CRAHs). قبل بضع سنوات ، تم نشر توصية بشأن ارتفاع الأرضية المرتفعة بناء على مساحة غرفة محرك 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. استنادًا إلى نتائج العمليات الحسابية، يقوم المستخدم بتقييم نموذج الكمبيوتر وتعديله، إذا لزم الأمر، وإجراء العمليات الحسابية مرة أخرى. الهدف من النمذجة هو تدوين الظواهر الفيزيائية قدر الإمكان ثم إيجاد حل مناسب ومرض لمشاكل التصميم التي 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 وقت رد الفعل في حالة الارتفاع السريع في درجات الحرارة بسبب عطل وحدة التبريد. مركز البيانات الذي يحتوي على خوادم تعمل في درجات حرارة أعلى معرض لخطر المعاناة فشل فوري في الأجهزة في وقت واحد. تؤكد لوائح ASHRAE الأخيرة على أهمية المراقبة الاستباقية 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 الهواء في مركز البيانات ، هناك عدد كبير من المعلمات التي يجب مراعاتها. هنا سنقدم بعضها:
- 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 يتم حسابها بشكل صحيح أو أنها كبيرة الحجم. في الواقع ، التأثير الحقيقي على توزيع درجة الحرارة والرطوبة في غرفة مركز البيانات وفقا للمعلمة المدروسة 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 مضمنة لمحاكاة تدفقات الهواء في مركز البيانات. بالنسبة للمهندسين الذين لم يعتادوا على العمل مع برامج نمذجة CFD ، من المنطقي التفكير في شراء هذا النوع من البرامج ، والذي يحتوي بالفعل على نماذج جاهزة للاستخدام لحساب تدفقات الهواء في مركز البيانات ، وهناك مكتبات من المعدات (على سبيل المثال ، المراوح والمضخات ووحدات تكييف الهواء). على أي حال ، ما يجعل جودة الدراسة هو مستوى خبرة المهندس المسؤول عن المحاكاة. يجب أن يتم تنفيذ هندسة CFD من قبل متخصصين.
مراحل تصميم نمذجة CFD لمركز البيانات
استعادة فرضيات الدراسة
قبل تنفيذ عملية نمذجة مركز بيانات قائم، من الضروري إجراء دراسة كاملة ودقيقة للجسم: قياس سرعة تدفق الهواء، وقياس الضغط، وقياس درجة الحرارة، وتحديد قنوات دوران الهواء، واكتشاف العوائق والمواقع المحتملة لتسريبات الهواء. وبعبارة أخرى ، فإن مهمة فحص كائن موجود في حد ذاته شاقة للغاية ولكنها مع ذلك مفيدة للغاية. لأنه في عملية جمع البيانات ، يتم تحديد الاختناقات. لحل مشكلة إنشاء نموذج لمركز بيانات جديد ، من الضروري جمع البيانات الأولية من الفضاء والتحقق من صحة الفرضيات حول التقنيات والأجهزة المستخدمة.
النمذجة ثلاثية الأبعاد لمركز البيانات
بعد ذلك ، يتعلق الأمر بإنشاء نموذج هندسي لمركز البيانات (أو التوأم الرقمي) والعناصر التي يتكون منها مركز البيانات. يتم إنشاء نموذج 3D لكائن 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 كرسم بياني أو جدول أو حتى رسوم متحركة ، مما يدل بوضوح على التغييرات في المعلمات المادية. بالنسبة لمراكز البيانات ، يتم استخدام التمثيل المرئي للبيانات المحسوبة عادة كتوزيع لدرجة الحرارة على مساحة غرفة الكمبيوتر وعلى ارتفاع رفوف الخادم.
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.
