本文主要介紹計算流體動力學(CFD)和DCIM的應用。

集成計算流體動力學的DCIM

在一些實例中，DCIM產品試圖為其容量規劃和分析功能提供附加模塊。其中一些模塊可以作為計算流體力學(CFD)，通過分析原始驅動，可以不誤導數據中心的經營者。計算流體力學是一種功能強大且備受行業推崇的工具，是一種用于研究氣流和傳熱的科學。然而在數據中心行業，計算流體力學(CFD)經常被誤用和誤解。

在數據中心采用計算流體力學(CFD)，可以對其中的一些功能進行更詳細的討論。圖1顯示了基于一個獨立的CFD軟件集成的DCIM工作流模型。

圖1 修改后的DCIM工作流模型和集成的CFD軟件包

使用湍流模型和數值模擬預測氣流和溫度是一個復雜的問題，也是人們一直在研究的課題。湍流模型表示的時間平均動量和連續性方程(見圖1)中未解決的問題一直是研究的主題，在過去的30年中，技術的進步促使更強大的計算流體力學求解器和網格技術的發展。更多的往往是作為DCIM的附加模塊，像采用CFD基于插值(趨勢)預測變化。例如將服務器安裝到機柜中，并預測其溫度效應。在許多DCIM附加的插值模型通過以前的狀態假定固定的條件來預測未來的狀態，這往往會產生錯誤的結果。

計算流體力學與俄羅斯方塊效應

CFD在設計階段的應用，研究了不同的冷卻方案、負荷密度、新技術、氣流遏制和開放式機架，這是很好理解的。而其面臨的挑戰是在運營階段，即在IT設備可以部署的三個標準基礎上，也就是說是空間、功率和冷卻。數據中心空間和電源的可用性是比較容易確定的，從U型槽柜的標識和配置的電源分配單元(PDU)可以確定電源容量。而數據中心的冷卻能力卻難以確定。

圖2 俄羅斯方塊效應與數據中心規劃業務相似：(a)前期用方塊玩俄羅斯方塊，(b)用隨機塊序列玩俄羅斯方塊。

IT管理人員部署服務器填補數據中心的空間，但同時對數據中心冷卻能力是比較盲目的。其結果是，在其配置的空間中的變化通常是不可見的工程和設施團隊。其結果就像俄羅斯方塊效應(見圖2)一樣，現在想象盲目地實施一個基于方形街區的計劃，而忽略了這個事實，該區塊正在改變。數據中心運營商通常遵循一個計劃，盡管IT單位(塊)發生變化。最終的結果是，運營商的數據大廳設計的冷卻能力100%，設計發電能力的70%，如圖2b所示，在本系列的前面部分提到的，數據中心所有者關心的是使用他們的設備的最大容量。如果他們設計和建造了一個電力容量為1000千瓦的設施，而他們計劃全部使用所有的功率。

圖3 數據中心的設施鏈和不同學科的動機

為了有效地運用空間、電力和冷卻決定，必須解決信息和設施之間的交流以及IT領域必須解決的問題(參見圖3)。如果此通信發生故障時，其造成的后果是災難性的，從而導致在圖2b中所示的在IT能力部署中的俄羅斯方塊效應。

數據大廳氣流的復雜性

這個誤解是從地板格柵輸出的空氣來冷卻服務器。他們可能會在氣流控制策略的正確應用這樣做，但在IT服務器從阻力最小的路徑吸入空氣。對于一個典型的地板格柵(600毫米的正方形)的氣流可在300升/秒至600升/秒之間變化。在一般情況下，在格柵背后的靜壓越大，其氣流更大，靜壓越小，氣流越小(見圖4)。在散熱方面，這種情況下每個格柵可以提到3到6千瓦冷卻能力，一般都低于300升/秒，可為冷卻服務器機柜提供足夠的壓力;任何超過600升/秒的冷卻能力可能只能采用旁路柜的方式。

圖4 地板格柵空氣流動的靜壓原理

圖5演示了其原理。在圖5(a)的數據大廳左側的冷卻單元在地板上的空隙引起的氣流，這會影響在圖5(b)確定的低靜壓區域。這些區域以減少空氣流量的影響，與地板格柵圖5(c)相關。

圖5 地板格柵影響氣流的因素：(a)地板氣流速度，(b)地板靜態壓力，(c)格柵氣流。

這里關注的是在解決地板的高速氣流的冷卻裝置問題。其他常見的考慮因素包括相對于IT負載的地磚的管理。例如，確定層板格柵的合適數量，以保持從機柜的前面冷通道合理的靜壓。太多格柵可以降低地板的空隙的靜壓力。

必須解決的第二個復雜性是溫度。在數據中心的溫度分布取決于幾個因素，如冷卻設備的配置，氣流，服務器和負載密度的空間配置。數據中心的業主在自己的數據大廳通常安裝冷通道遏制系統。這種方法通常宣稱節能或通過降低冷暖空氣混合，以增加工作溫度較高的可靠性。更多的往往不是這樣的安裝，盲目地影響數據大廳其他地方的冷卻能力的可用性，這對于數據中心擁有者可能會有一個表面的投資回報率(投資回報率)。圖6示出了這樣一個例子，其中該密封冷通道過冷至18℃，而遺留區域的設備接近24℃-26℃。在這種情況下，接近傳統設備的冷卻單元比冷通道密封的工作更加簡單，從而在地板的空隙中觀察到的溫度差。

圖6 空氣遏制柜和開放式架構的設備之間復雜的相互作用

使用計算流體力學的挑戰

即使是最成熟的CFD軟件包也通常會面臨挑戰。第一個也是最明顯的問題是計算能力，這是一個比較突出的問題。而隨著湍流模型和網格技術的發展，而采用高規格的處理器、充足的內存和顯卡的筆記本電腦可以相對快速地進行實施計算流體力學。需要明確的是，這里指的是小時，而不是秒，有些廠商宣稱，如果輸出需要數分鐘到數秒，則有可能使用短切的，原始的網格劃分和分析，這可能會導致不可靠的結果。

圖7 計算流體力學的工作流程

使用非穩態常計算流體模型可以計算在數據大廳行為的時間，例如分析在數據中心電力中斷后，其溫度上升的速度。雖然這也可以進行使用相同的硬件進行處理，但是需要更多的計算時間。

下一個重要的挑戰是校準。一般來說從CFD模型輸出可以是非常詳細的，但它是基于許多假設的。在數據中心的設計階段，這種情況是可以接受的。但在模型建設過程中，該模型需要校準的設施參數，建立開始的基線。這種努力可能包括從格柵匹配風量，其次是溫度以及冷卻單元流量的參數，對模型匹配。如果跳過校準過程，可能會導致將不可靠的信息傳送到數據中心運營商，并可能會對他們的經營產生不利的影響。

最常見的問題是獨立的第三方開展了為期六個月的CFD分析和容量規劃，熱點等建議。這種做法的結果重復的，會花費不必要的成本，由于現代數據中心的快速變化，校準模型的失效日期不能超過2到3周的時間。

使用計算流體力學作為一種操作工具

工程的原因和效果的一個重要組成部分是空間變化(即設備維護)，可能導致IT設備不良的后果，反之亦然。例如，在數據大廳內的電源插板的維修。并且在維護模式中，分析N個冷卻單元對環境的影響。使用計算流體力學評估這樣的場景對數據大廳的影響，在實施之前是有據可查的。其中最重要的操作流程是定期評估空間、電力和冷卻能力，以及確定在哪里安裝新的服務器。

圖8 使用計算流體力學來測試IT部署策略：(a)設施模型和IT庫存，(b)更新的服務器電源圖，(c)預測的機柜的空氣入口溫度。

在圖8(a)中，數據中心運營商有一個虛擬的設施模型和IT庫存。IT經理確定新的服務器被部署的要求，并為它們分配機柜上的可用空間和電力容量(圖8b)。而通過虛擬設備模型預測發現，這樣的配置將出現散熱問題，如圖8(c)所示，其中的圓圈區域表示服務器的空氣平均進氣溫度大于27攝氏度，設施人員可以其確定適當的位置，并通過這些服務器的虛擬模型與IT經理進行協調。這方面的努力可能涉及到幾個迭代的工作流模型，如圖7所示。其最終的結果是設施將得到不斷發展，如圖9所示的冷卻地圖，顯示了在不同的機柜位置的冷卻可用性。

不用說，在某些情況下，如統一應用氣流遏制或數據大廳熱通道返回到冷卻單元廳(沒有混合氣流)，通常這還有很長的路要走。對于那些開放空氣和混合氣流控制與傳統設備交錯部署的情況下，計算流體力學作為一個操作工具并不太適合，但有必要充分利用數據中心設計IT負載。

圖9 釋放閑置容量。數據廳制冷分配和現有安裝的服務器可用機架容量。

結論

本文重點介紹了一些數據中心的挑戰，并正確使用計算流體力學。這項技術解決了智能化在IT團隊和運營團隊之間的雙向傳遞問題。

文中討論了集成包對于現有DCIM產品的重要性，而不是一個附加模塊。行業廠商開發的計算流體力學可以適應不同的數據中心環境。然而，即使是最成熟的CFD軟件包，也很難解決數據大廳復雜的氣流物理問題。

計算流體力學(CFD)對于數據中心運營商來說是很好的一個運作規劃工具。這種方法允許運營商定期預測的數據中心在不同的情況下的物理響應，并在一個安全的離線環境下部署。但更重要的是，其在部署規劃時助于避免產生經典的俄羅斯方塊效應。

編輯：Harris

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