本文主要介紹計算流體動力學(xué)(CFD)和DCIM的應(yīng)用。

集成計算流體動力學(xué)的DCIM

在一些實例中，DCIM產(chǎn)品試圖為其容量規(guī)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(xué)(CFD)，通過分析原始驅(qū)動，可以不誤導(dǎo)數(shù)據(jù)中心的經(jīng)營者。計算流體力學(xué)是一種功能強大且備受行業(yè)推崇的工具，是一種用于研究氣流和傳熱的科學(xué)。然而在數(shù)據(jù)中心行業(yè)，計算流體力學(xué)(CFD)經(jīng)常被誤用和誤解。

在數(shù)據(jù)中心采用計算流體力學(xué)(CFD)，可以對其中的一些功能進行更詳細(xì)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(shù)值模擬預(yù)測氣流和溫度是一個復(fù)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(xù)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(shù)的進步促使更強大的計算流體力學(xué)求解器和網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)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(yù)測變化。例如將服務(wù)器安裝到機柜中，并預(yù)測其溫度效應(yīng)。在許多DCIM附加的插值模型通過以前的狀態(tài)假定固定的條件來預(yù)測未來的狀態(tài)，這往往會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。

計算流體力學(xué)與俄羅斯方塊效應(yīng)

CFD在設(shè)計階段的應(yīng)用，研究了不同的冷卻方案、負(fù)荷密度、新技術(shù)、氣流遏制和開放式機架，這是很好理解的。而其面臨的挑戰(zhàn)是在運營階段，即在IT設(shè)備可以部署的三個標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，也就是說是空間、功率和冷卻。數(shù)據(jù)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(biāo)識和配置的電源分配單元(PDU)可以確定電源容量。而數(shù)據(jù)中心的冷卻能力卻難以確定。

圖2 俄羅斯方塊效應(yīng)與數(shù)據(jù)中心規(guī)劃業(yè)務(wù)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(wù)器填補數(shù)據(jù)中心的空間，但同時對數(shù)據(jù)中心冷卻能力是比較盲目的。其結(jié)果是，在其配置的空間中的變化通常是不可見的工程和設(shè)施團隊。其結(jié)果就像俄羅斯方塊效應(yīng)(見圖2)一樣，現(xiàn)在想象盲目地實施一個基于方形街區(qū)的計劃，而忽略了這個事實，該區(qū)塊正在改變。數(shù)據(jù)中心運營商通常遵循一個計劃，盡管IT單位(塊)發(fā)生變化。最終的結(jié)果是，運營商的數(shù)據(jù)大廳設(shè)計的冷卻能力100%，設(shè)計發(fā)電能力的70%，如圖2b所示，在本系列的前面部分提到的，數(shù)據(jù)中心所有者關(guān)心的是使用他們的設(shè)備的最大容量。如果他們設(shè)計和建造了一個電力容量為1000千瓦的設(shè)施，而他們計劃全部使用所有的功率。

圖3 數(shù)據(jù)中心的設(shè)施鏈和不同學(xué)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(shè)施之間的交流以及IT領(lǐng)域必須解決的問題(參見圖3)。如果此通信發(fā)生故障時，其造成的后果是災(zāi)難性的，從而導(dǎo)致在圖2b中所示的在IT能力部署中的俄羅斯方塊效應(yīng)。

數(shù)據(jù)大廳氣流的復(fù)雜性

這個誤解是從地板格柵輸出的空氣來冷卻服務(wù)器。他們可能會在氣流控制策略的正確應(yīng)用這樣做，但在IT服務(wù)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(wù)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(shù)據(jù)大廳左側(cè)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(qū)域。這些區(qū)域以減少空氣流量的影響，與地板格柵圖5(c)相關(guān)。

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(tài)壓力，(c)格柵氣流。

這里關(guān)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(fù)載的地磚的管理。例如，確定層板格柵的合適數(shù)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(fù)雜性是溫度。在數(shù)據(jù)中心的溫度分布取決于幾個因素，如冷卻設(shè)備的配置，氣流，服務(wù)器和負(fù)載密度的空間配置。數(shù)據(jù)中心的業(yè)主在自己的數(shù)據(jù)大廳通常安裝冷通道遏制系統(tǒng)。這種方法通常宣稱節(jié)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(shù)據(jù)大廳其他地方的冷卻能力的可用性，這對于數(shù)據(jù)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(qū)域的設(shè)備接近24℃-26℃。在這種情況下，接近傳統(tǒng)設(shè)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(gòu)的設(shè)備之間復(fù)雜的相互作用

使用計算流體力學(xué)的挑戰(zhàn)

即使是最成熟的CFD軟件包也通常會面臨挑戰(zhàn)。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(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，而采用高規(guī)格的處理器、充足的內(nèi)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(xué)。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(shù)分鐘到數(shù)秒，則有可能使用短切的，原始的網(wǎng)格劃分和分析，這可能會導(dǎo)致不可靠的結(jié)果。

圖7 計算流體力學(xué)的工作流程

使用非穩(wěn)態(tài)常計算流體模型可以計算在數(shù)據(jù)大廳行為的時間，例如分析在數(shù)據(jù)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(zhàn)是校準(zhǔn)。一般來說從CFD模型輸出可以是非常詳細(xì)的，但它是基于許多假設(shè)的。在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計階段，這種情況是可以接受的。但在模型建設(shè)過程中，該模型需要校準(zhǔn)的設(shè)施參數(shù)，建立開始的基線。這種努力可能包括從格柵匹配風(fēng)量，其次是溫度以及冷卻單元流量的參數(shù)，對模型匹配。如果跳過校準(zhǔn)過程，可能會導(dǎo)致將不可靠的信息傳送到數(shù)據(jù)中心運營商，并可能會對他們的經(jīng)營產(chǎn)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(guī)劃，熱點等建議。這種做法的結(jié)果重復(fù)的，會花費不必要的成本，由于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的快速變化，校準(zhǔn)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(xué)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(shè)備維護)，可能導(dǎo)致IT設(shè)備不良的后果，反之亦然。例如，在數(shù)據(jù)大廳內(nèi)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(huán)境的影響。使用計算流體力學(xué)評估這樣的場景對數(shù)據(jù)大廳的影響，在實施之前是有據(jù)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(wù)器。

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

在圖8(a)中，數(shù)據(jù)中心運營商有一個虛擬的設(shè)施模型和IT庫存。IT經(jīng)理確定新的服務(wù)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(shè)備模型預(yù)測發(fā)現(xiàn)，這樣的配置將出現(xiàn)散熱問題，如圖8(c)所示，其中的圓圈區(qū)域表示服務(wù)器的空氣平均進氣溫度大于27攝氏度，設(shè)施人員可以其確定適當(dāng)?shù)奈恢?，并通過這些服務(wù)器的虛擬模型與IT經(jīng)理進行協(xié)調(diào)。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(jié)果是設(shè)施將得到不斷發(fā)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(tǒng)一應(yīng)用氣流遏制或數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)備交錯部署的情況下，計算流體力學(xué)作為一個操作工具并不太適合，但有必要充分利用數(shù)據(jù)中心設(shè)計IT負(fù)載。

圖9 釋放閑置容量。數(shù)據(jù)廳制冷分配和現(xiàn)有安裝的服務(wù)器可用機架容量。

結(jié)論

本文重點介紹了一些數(shù)據(jù)中心的挑戰(zhàn)，并正確使用計算流體力學(xué)。這項技術(shù)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(xiàn)有DCIM產(chǎn)品的重要性，而不是一個附加模塊。行業(yè)廠商開發(fā)的計算流體力學(xué)可以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)中心環(huán)境。然而，即使是最成熟的CFD軟件包，也很難解決數(shù)據(jù)大廳復(fù)雜的氣流物理問題。

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

編輯：Harris

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