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In diesem Artikel wird ein Vergleich zwischen dem zweiten Teil der Arbeit von (Nada, Said, & Rady, 2016) durchgeführt. Das bedeutet, dass der angehobene Zwischenraum in die Simulationen einbezogen wird. Die Simulationen sind in zwei Teile aufgeteilt. Im ersten Teil wird zunächst der angehobene Zwischenraum bis zu den perforierten Fliesen simuliert. Dann wird der in der ersten Simulation ermittelte Massenstrom in der zweiten Simulation verwendet, bei der die Geometrie nur den Serverraum und die perforierten Fliesen enthält. Im zweiten Teil wird der gesamte Serverraum in einem Durchgang simuliert, so dass sowohl der Serverraum als auch der Zwischenraum einbezogen werden.
In diesem Artikel wird nicht nur die Simulation mit der Arbeit von (Nada, Said, & Rady, 2016) verglichen, sondern es wird auch untersucht, welche Auswirkungen es hat, wenn die Simulation des Zwischenraums getrennt von der Simulation des Serverraums als Ganzes durchgeführt wird.

Geometrie

In Übereinstimmung mit dem Artikel wurde ein Serverraum mit den Abmessungen 6,71 x 5,49 x 3,0 m geschaffen. In diesem Raum wurden 14 Racks mit den Maßen 0,61 x 0,915 x 2,0 m aufgestellt, wobei jedes Rack aus 4 Servern mit den Maßen 0,61 x 0,915 x 0,5 m besteht. Die 14 Racks sind in zwei Reihen zu je 7 Racks aufgeteilt, die jeweils 1,22 m von jeder der vier Wände und 1,22 m voneinander entfernt sind. Zwischen den Regalen, wo sich der Kühlkorridor befindet, wurden 14 perforierte Platten angebracht. Die Abmessungen der Ziegel betragen 0,534 x 0,534 x 0,15 m.

Im Dach des Serverraums über dem Warmkorridor wurden sechs natürliche Belüftungseinheiten installiert, über die die Warmluft den Raum verlassen kann.

Der Zwischenraum wurde über die gleiche Breite und Länge wie der darüber liegende Raum und eine Höhe von 0,6 m angelegt. Auf beiden Seiten wurde jedoch ein Auslass für die Computerraumklimatisierung (Computer Room Air-Conditioning CRA/C) hinzugefügt. Dieser Auslass der CRA/C-Einheit hat eine Höhe von 0,6 m, was der Höhe des Doppelbodenplenums entspricht. Die Breite des CRA/C-Abflusses beträgt 3,33 m, wodurch eine Fläche entsteht, die der Fläche der perforierten Kacheln entspricht.

Physik

Die 3D-Simulation wurde unter Verwendung eines idealen Gases und der Schwerkraft sowie der getrennten Temperatur durchgeführt, um die Unterschiede im Auftrieb von kalter und warmer Luft zu berücksichtigen. Außerdem wurde die Turbulenz mit dem realistischen zweischichtigen k-ε-Turbulenzmodell modelliert.

Randbedingungen

Abbildung 1: Aufbau des Serverraumss mit und ohne Zwischenräume für alle drei Simulationen

In Abbildung 1 zeigen die Farben die verschiedenen Randbedingungen an. Für den ersten Teil der Simulationen ist der CRA/C-Einlass unterhalb des Doppelbodens ein Geschwindigkeitseinlass (rot dargestellt), während die Kacheln (orange dargestellt) Druckauslässe sind. Die perforierten Kacheln im Serverraum sind Massenstromeinlässe, für die die Massenströme verwendet werden, die in der ersten Simulation an den Druckauslässen festgestellt wurden.

Die Randbedingungen der zweiten Simulation, bei der der Zwischenraum im Doppelboden und der Serverraum in einem Durchgang simuliert werden, sind ähnlich. Allerdings sind in diesem Fall die perforierten Kacheln mit dem Zwischenraum des Doppelbodens verbunden, so dass ein Druckabgang an den Kacheln nicht erforderlich ist. Die Fliesen werden als poröses Medium modelliert.

Die Simulationseinstellungen wurden so weit wie möglich am Artikel angeglichen. Die Einstellungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Randbedingungen für das CFD-Modell des Serverraums (Nada, Said, & Rady, 2016)

Poröse Medien

Innerhalb des Papers wurde eine Körperkraft berechnet, um die Änderung des Impulses durch die Kachel im Vergleich zu einer offenen Kachel zu berücksichtigen.

Formel 1

Dabei ist V das Körperkraftvolumen, ρ die Dichte der Luft, Q die vollständig offene Kachel-Luftströmungsrate in m³/s, σ das Öffnungsverhältnis und A die vollständig offene Fläche in m² (Nada, Said, & Rady, 2016).

In Siemens Simcenter STAR CCM+ kann ein poröses Medium verwendet werden, um eine teilweise offene Geometrie zu berücksichtigen. Das poröse Medium nutzt einen viskosen und trägen Widerstand, der wie folgt berechnet werden kann:

Formel 2

Dabei ist ΔP der Druckabfall durch die Geometrie, t die Dicke der Geometrie, α der Wert des Trägheitswiderstands, β der Wert des viskosen und v die Geschwindigkeit. Durch das Einsetzten von  und   in die obere Formel entsteht folgende Formel:

Formel 3

Da es nur einen Term gibt, der das Geschwindigkeitsquadrat enthält, kann man davon ausgehen, dass β=0 ist und der viskose Widerstand somit gleich Null ist. Außerdem wurde angenommen, dass sich die Strömung sowohl durch die Server als auch durch die perforierten Platten in eine einzige Richtung bewegt (z-Richtung für die perforierten Platten und y-Richtung für die Server) und sich in keine andere Richtung bewegen kann (siehe Abbildung 2).

Servers

Jeder Server wird, wie oben beschrieben, als poröses Medium modelliert. Für jeden Server wird eine konstante volumetrische Gesamtwärmeproduktion von 875 W über das gesamte Volumen angenommen.

Ergebnisse

Der Vergleich des Massenstroms durch die Kacheln zeigt einen recht großen Unterschied, wenn eine Kachel mit porösem Medium verwendet wird, die direkt mit dem Serverraum verbunden ist, oder wenn das Doppelbodenplenum getrennt vom Serverraum modelliert wird.

Wenn der Zwischenraum separat modelliert wird, ergibt sich eine gute Übereinstimmung im Massenflussverhalten durch jede Kachel im Vergleich zum Paper. Die mittlere Kachel weist den höchsten Massenstrom auf. Der Massenstrom nimmt jedoch ab, wenn die Kacheln näher an den CRA/C-Einheiten liegen. Bei der Modellierung der Kacheln als poröses Medium zwischen dem Doppelboden und dem Serverraum wird jedoch deutlich, dass der Massenstrom durch jede der Kacheln konstant ist. Dies deutet darauf hin, dass der durch die Perforation der Kacheln erzeugte Widerstand einen viel größeren Einfluss auf die Verteilung des Massenstroms durch die Kacheln hat als die Lage der Kacheln in Bezug auf die CRA/C-Einheit.

Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die im vorangegangenen Artikel gemachte Annahme, wonach jede Kachel einen konstanten Massenstrom in den Serverraum hat, richtig ist

Abbildung 2: Vergleich des Massendurchflusses

Abbildung 3: Iso-Oberfläche bei 13C; links: getrennte Simulationen, rechts: Einzelsimulation

In Abbildung 3 ist ein Vergleich zwischen der Temperatur-Isofläche für 13C dargestellt. Links ist die Isofläche für die Simulation dargestellt, bei der zuerst der Bereich unterhalb des Doppelbodens und dann die Simulation für den Serverbereich durchgeführt wird. Auf der rechten Seite ist die Isofläche für dieselbe Simulation dargestellt, aber jetzt wird der gesamte Serverraum in einem Durchgang simuliert. Es ist zu erkennen, dass die Isofläche auf der linken Seite dieselbe Kurve aufweist wie in der Grafik in Abbildung 2 dargestellt. Die Isofläche auf der rechten Seite zeigt jedoch ein wellenförmiges Verhalten. Hier erreicht eine niedrigere Temperatur eine höhere Stelle, an der die Kacheln kalte Luft in den Serverraum blasen, und die Temperatur steigt zwischen den Kacheln leicht an.

Die konstantere Temperaturverteilung über alle Serverracks in der Simulation, bei der ein konstanter Zustrom durch die perforierten Kacheln vorhanden ist, im Vergleich zu der Simulation, bei der der Zustrom durch die Kacheln zur Mitte der Serverracks hin zunimmt, ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Simulation, bei der nur der Serverraum simuliert wird, weist mit 29,7 °C die höchste Temperatur in den oberen Ecken des Warmgangs der beiden Rackreihen auf (siehe Abbildung 5a). Die Höchsttemperatur in der Simulation des gesamten Rechenzentrums ist mit 28,7 °C um einen ganzen Grad niedriger. Diese Temperatur befindet sich in den oberen Ecken des mittleren Serverracks, wie in Abbildung 5b dargestellt.

Abbildung 4: Vergleich der Temperaturverteilung im Regal

Abbildung 5: Temperaturverteilung bei Z = 1,95 m

Fazit

Die in der Arbeit von Nada et al. gefundenen Massenströme konnten reproduziert werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine konstante Massenstromverteilung durch die perforierten Platten eher dem Effekt entspricht, der bei der Simulation des gesamten Serverraums gefunden wurde. Dies führt auch zu niedrigeren Höchsttemperaturen im Serverraum.

Literaturverzeichnis

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