Ein schematischer Überblick über einen typischen Aufbau eines Serverraums ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Geometrie und der Aufbau, die in den verwendeten Referenzartikeln verwendet wurden, sind in Siemens Simcenter STAR CCM+ 2302 nachgebildet, dessen Ergebnisse in diesem Artikel beschrieben werden. Der erste Schritt beinhaltet die Reproduktionen von (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012), der auch von (Nada, Said, & Rady, 2016) wiedergegeben wird.

Abbildung 1: Beispiel eines typischen Serverraums (Cho, Lim, & Kim, 2009)

Geometrie

In Anlehnung an das Referenzpapier 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.
Auf dem Dach des Serverraums über dem Warmkorridor befinden sich sechs natürliche Lüftungseinheiten, über die die warme Luft den Raum verlassen kann.

Physik

Die 3D-Simulation wurde mit einem segregierten Solver für die Strömungs- und Energiegleichungen durchgeführt. Die Luft wird als ideales Gas modelliert und die Schwerkraft wird in das Modell einbezogen, um die Unterschiede im Auftrieb von kalter und warmer Luft zu berücksichtigen. Darüber hinaus wurde die Turbulenz mit Hilfe des realistischen zweischichtigen k-ε-Turbulenzmodells modelliert. Die Fliesen im Boden werden als poröses Medium modelliert.

Randbediengungen

Abbildung 2: Einrichtung des Serverraums

In Abbildung 2 ist der Aufbau des Serverraums dargestellt. Die perforierten Platten (unterhalb der gelben Flächen) haben auf der einen Seite einen Massenstromeinlass und auf der anderen Seite eine Schnittstelle mit dem Serverraum (in gelb). Die grünen Flächen sind die Stellen, an denen ein Massenstrom durch die Server erzwungen wird. Die orangefarbenen Flächen oben sind Druckauslässe, durch die die warme Luft den Serverraum über das Dach verlassen kann.

Die Simulationseinstellungen wurden so weit wie möglich an das Papier angepasst. Die Einstellungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Durchflussmenge der Kacheln und die Durchflussmenge der Server wurden direkt auf die Kachelöffnungen und die Servereinlässe an der Seite des kalten Ganges gesetzt.

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 Q=Av und ΔP=F/A 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.

Modell-Validierung

Zur Validierung des Modells werden dieselben Datenpunkte zur Beschreibung der Temperatur verwendet, die auch in den beiden Artikeln verwendet wurden. Die Temperaturfühler sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Temperaturfühler (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012)

Ergebnisse

Abbildung 4: Vergleich der Linien 1 und 2 (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012) (Nada, Said, & Rady, 2016)

In Abbildung 4 sind die Diagramme des Vergleichs zwischen den Temperaturergebnissen der Temperatur in Leitung 1 und Leitung 2 dargestellt. Die Temperaturen in den Datenpunkten zeigen, dass die Temperatur von 12 Grad Celsius am Einlass auf etwa 22 Grad im Serverraum ansteigt. Aus diesen Diagrammen lässt sich schließen, dass die in STAR CCM+ ermittelte Temperatur mit den Ergebnissen der beiden Veröffentlichungen übereinstimmt. Allerdings ist die Temperatur im rechten Bild etwas niedriger als in den Veröffentlichungen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die unterschiedlichen Methoden zurückzuführen, die verwendet wurden: ein poröses Medium anstelle einer Impulssenke und eine Volumenwärmequelle anstelle einer Oberflächenwärmequelle.

Die Temperaturverteilung am ersten Rack und am mittleren Rack ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Höchsttemperatur im Serverraum wird in den äußeren Racks erreicht. Da die Kacheln nicht miteinander verbunden sind, zeigt die Temperatur ein etwas welliges Verhalten, bei dem die minimale Temperaturfront direkt über einer Kachel höher und in der Mitte der Kachel, wo sich ein Boden befindet, niedriger ist. Dieses Verhalten ist sowohl in Abbildung 5 als auch in Abbildung 6 zu erkennen.

Figure 5: server rack front view temperature distribution

Abbildung 6: Temperaturverteilung bei z = 1,75m

Fazit

Obwohl sich die Temperatur in der Simulation im Vergleich zu den Ergebnissen von Fernando et. al. und Nada et. al. annähert, sind die Temperaturen in dieser Simulation niedriger. Es ist möglich, dass dies auf den unterschiedlichen Aufbau zurückzuführen ist, sowohl in der Impulsquelle als auch in der für die Server verwendeten Wärmeerzeugungstechnik.

Literaturverzeichnis

Cho, J., Lim, T., & Kim, B. S. (2009, October). Measurements and predictions of the air distribution systems in high compute density (Internet) data centers. Energy and Buildings, 41(10), 1107-1115. doi:10.1016/j.enbuild.2009.05.017

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