数据中心CFD 仿真软件介绍

数据中心CFD 仿真软件介绍

李磊 I 文

周昕 I 技术审稿

1. CFD简介

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics: CFD)是传统流体力学的一个比较新的分支,使用数值分析方法,分析和求解关于流体流动方面的方程。CFD需要大量的计算资源,并因控制方程的非线性行造成数值解法非常复杂、难度很大,而计算机软硬件的飞速发展极大的推动了CFD的广泛应用。

如果使用传统方法,在时间和空间上明确地求解对象流体的三维流场和温度场基本上是不可能的。而CFD的快速发展让越来越多的工程技术人员能比较轻松地解决这些难题。在流体力学中,我们可用三个方程来描述流场:连续性方程、Navier-Stokes方程和能量方程式。这三个方程式分别对应着流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒三个守恒原理。这三个方程式构成了CFD软件的算法基础。

2. 数据中心

数据中心指用于安置计算机系统及相关部件的设施,例如电信和储存系统。数据中心一般包括IT设备、备用电源、备用数据通信、环境控制和其他各种安全设备。最早的数据中心出现在二十世纪四十年代。到了八十年代,计算机开始普及,服务器作为一种共享、经济的计算资源,开始应用在企业中。存放这些服务器的房间就被称为数据中心。数据中心在1997-2002年间,也就是互联网泡沫期间,迅速发展。从21世纪初开始,随着数据量的不断膨胀、网络技术和AI产业的迅猛发展,数据中心产业也迎来了前所未有的发展机遇。

但是快速发展的数据中心也面临着一些困难和挑战。目前,高耗能是现代数据中心面临的一个非常严峻的问题。例如,某些数据中心的能耗密度是普通办公大楼能耗密度的100倍以上。这种高能耗的数据中心,能源成本占运行成本的比例过高,有时甚至可占数据中心总开销的10%。因此降低能耗是数据中心面临的一个巨大挑战。

CFD设计软件能帮助设计者优化数据中心的流场,在实际部署数据中心之前校核数据中心冷却方案的合理性,并能优化已有的数据中心,提高数据中心的能源利用效率。其中,6SigmaDC 是一款简单直观的CFD模拟软件。即使是没有流体工程专业背景的人员,通过一段时间的学习和使用,也可做出合格的环境模拟。因此,现如今该软件在数据中心CFD仿真的应用领域处于主导地位。

3. 6SigmaDC 软件

Future Facilities 公司开发的6SigmaDC是一款功能强大的CFD模拟软件。它几乎能够模拟所有类型的数据中心 (例如,它可模拟数据中心现代控制系统、 VFDs、主从配置等。) 6SigmaDC 使用工业界最被广泛认可的标准κ-ε模型来求解Navier-Stokes 方程。6SigmaDC的一个很重要的特点便是,它能够和数据中心管理系统 (DCIM) 整合起来,方便实时数据的采集和管理,进一步提高数据中心系统的运行,维护以及升级效率。

目前,数据中心一般采用冷通道热通道冷却方式,如Figure 1。冷却空气从冷通道地板吹出,流经IT设备,温度升高,最后回到空气冷却设备AHU.

Figure 1:数据中心CFD模型

当合理建立数据中心的模型并配置参数后,6SigmaDC 软件就可开始离散化空间并进行计算。我们可以得到该数据中心热力方面的数据,比如数据中心的温度场、速度场以及压力场。空气的温度流线图如Figure 2所示。从这张图上,可以看到冷空气流过冷通道,送入数据中心的服务器中然后由热通道排出,最后回到数据中心的空气冷却装置。

Figure 2:气流温度流线图

4. 总结

这篇文章简单介绍了计算流体力学的基本原理、数据中心市场的发展、数据中心的功能和能耗问题,以及6SigmaDC 这款CFD模拟软件的应用。6SigmaDC作为强大的CFD工具,能为数据中心的管理者和运行维护人员提供及时可靠的支持。

本文版权归作者所有。

新加坡南洋理工CAP组

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