Livre blanc : Utilisation de la CFD pour les data centers

Extrait du livre blanc EOLIOS sur les Data Centers

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Livre blanc

La charge thermique dans les centres de données a considérablement augmenté au cours des dernières années. Et cette tendance se poursuit, car il y a un processus de réduction de la taille des équipements électroniques avec une augmentation simultanée de la puissance de calcul, ce qui conduit à la libération d’une grande quantité de chaleur par unité (une unité de hauteur de rack de serveur). S’il y a quelques années, il semblait que la capacité de refroidissement de 5 kW par rack de serveur était tout à fait suffisante pour couvrir tous les besoins existants et prévus des clients dans un proche avenir, il existe aujourd’hui sur le marché des équipements qui, même si ce n’est même pas l’ensemble du serveur le rack est rempli, dégage plus de 10 kW.

Presque tous les fabricants de serveurs possèdent de tels équipements. Les grands groupes proposent un système informatique unifié, qui atteint une consommation électrique de 6U de 2 kW ou plus selon le mode de fonctionnement. Il n’est pas rare que plus de 10 kW de chaleur peuvent être générés par rack, nous observons des racks jusqu’à une puissance de 45 kW.

La virtualisation des serveurs entraîne une dissipation thermique accrue à partir d’un seul processeur

L’utilisation de la technologie de virtualisation des serveurs « aggrave » la situation. La virtualisation des serveurs peut augmenter considérablement leur charge, et si les anciens processeurs étaient inactifs pendant 75 à 85% du temps, alors via l’utilisation de la virtualisation, la charge du processeur dans les serveurs augmente considérablement et, par conséquent, plus de chaleur est générée sur un serveur. Les meilleures pratiques de l’ASHRAE pour l’efficacité énergétique des installations des data centers confirme ces données.

La production de chaleur produit par rack augmente constamment.

Par conséquent, lors de la conception d’un centre de données moderne, il est nécessaire de se concentrer sur des charges thermiques de 10 kW ou plus par rack de serveur. Ou, en dernier recours, il est nécessaire d’allouer des zones spécifiques dans la salle informatique du data center, qui fourniront un refroidissement à partir de 10 kW par rack de serveurs.

« Le concepteur a une question naturelle à se poser : le système de climatisation va-t-il faire face à 100% à la charge thermique? »
 

Pour obtenir une réponse suffisamment précise à cette question, l’utilisation par le concepteur uniquement de l’équation d’un bilan thermique avec l’ajout d’une marge de capacité de refroidissement de 10% à 20% et un programme Excel ne suffit plus.

Que se passe -t-il en cas de coupure de réseau concessionnaire ? quel est l’impact de la maintenance ?
Simulation CFD de la répartition des températures allées chaudes et allées froides – Data Center

Un certain nombre de problèmes lors de l’exploitation des centres de données

Un certain nombre de problèmes surviennent également lors de l’exploitation d’un centre de données existant, même avec de faibles charges thermiques. Par exemple, après l’installation d’équipements supplémentaires, des zones mortes peuvent apparaître dans le centre de données.

Des zones locales de surchauffe de l’équipement (appelées points chauds) ou, au contraire, des zones à température assez basse peuvent survenir dans les centres de données (pour les systèmes de rafraichissement naturel).

Il est clair que la surchauffe des serveurs, des systèmes de stockage de données, du réseau et des équipements de télécommunications est mauvais ; tôt ou tard, des températures élevées entraîneront des pannes, et donc des pertes potentielles de données.

D’autre part, l’hygrométrie affecte également négativement le fonctionnement des serveurs, des systèmes de stockage de données. Les basses températures entraînent une augmentation de l’humidité, ce qui peut entraîner de la condensation. L’humidité relative, selon l’ASHRAE, ne doit pas dépasser 80%. Certains fabricants intègrent des capteurs de température et d’humidité relative dans les serveurs et les systèmes de stockage, et les régulations logiciels peuvent arrêter le matériel lorsque les limites d’humidité et de température sont dépassées.

La température dans les salles de serveurs, où les équipements informatiques sont installés et exploités, est limitée par les normes non seulement par la limite supérieure, mais aussi par la limite inférieure. Selon les dernières exigences du comité technique TC 9.9 de l’ASHRAE publiées en 2016, la température dans la salle de serveur ne doit pas être inférieure à 18 degrés Celsius. En outre, la température plus basse conduit à une utilisation inefficace de l’électricité, ce qui entraîne une augmentation des coûts d’exploitation du centre de données.

Pour lutter contre les points chauds locaux, le client peut être obligé d’installer des ventilateurs de sol à proximité des racks de serveurs, de monter des unités de refroidissement par air ou liquide supplémentaires (si, bien sûr, il y a de la place pour leur installation). Cependant, l’emploi de méthode si « radicale » n’est pas forcement une nécessité. Mais parfois, il s’avère que seule une chose aurait dû être remplacée : il peut s’agir d’enlever ou d’ajouter des grilles du plancher surélevé et le problème peut être résolu. Cependant, il est extrêmement difficile d’identifier les goulots d’étranglement sans outils logiciels spéciaux et connaissance précise des effets thermo-aérauliques. Souvent, le client utilise l’espace du centre de données de manière extrêmement inefficace, sans charger complètement les armoires et distribuer l’équipement uniformément (si cela peut être fait). Mais tout cela aurait pu être évité en créant un modèle thermodynamique CFD du data center et en effectuant des calculs d’optimisation selon ce modèle.

Quelle est la hauteur du plancher surélevé dans un data center ?

Lors de la conception d’un nouveau centre de données, un architecte en charge du projet a toujours une question : quelle doit être la hauteur d’un plancher surélevé dans un datacenter ?

Il est clair que plus la hauteur du faux plancher est élevée, meilleure est la résistance au flux d’air, plus divers réseaux (réseaux d’eau, chemins de câbles et câbles) peuvent être entreposés, de même des structures et des équipements supplémentaires peuvent être placés sous le faux plancher surélevé, par exemple, des réseaux de distribution d’énergie ou des points de consolidation d’un système de câblage structuré…

Cependant, à mesure que la hauteur du plancher surélevé augmentele coût de la structure du bâtiment augmentera et, en passant, l’espace entre le plancher surélevé et le plafond diminuera, ce qui peut compliquer la création d’un système de conduits pour fournir l’air chaud vers les unités de refroidissement (CRAH). Il y a quelques années, une recommandation a été publiée sur la hauteur du plancher surélevé en fonction de la superficie de la salle des machines du centre de données.

Avec la superficie de la salle des machines jusqu’à 70 m², la hauteur du plancher surélevé doit être d’au moins 400 – 500 mm, si la superficie de la salle est supérieure à 100 m², la hauteur du plancher surélevé doit être d’au moins 500 – 700 mm, si la salle des machines fait plus de 300 m², la hauteur du plancher surélevé doit être d’au moins 700 mm. Cette règle empirique fonctionnait lorsque la charge par rack ne dépassait pas 5 kW et que la technologie d’isolation à l’air chaud et froid n’était pas utilisée (séparation entre allée chaude et allée froide). Dans ce cadre afin d’obtenir une réponse précise à la question de la hauteur du plancher surélevé, il est recommandé d’effectuer une simulation CFD des flux d’air, de calculer plusieurs options et de choisir la plus appropriée.

Qu’est-ce que la simulation CFD ?

CFD est un acronyme pour Computational Fluid Dynamics

À l’aide d’un logiciel spécialisé, l’utilisateur crée un modèle tridimensionnel d’un objet, impose certaines conditions aux limites, sélectionne des modèles représentant des phénomènes physiques se produisant dans des milieux gazeux et liquides (transfert de chaleur, écoulement de milieux, conductivité thermique, rayonnement, convection, etc. ), sélectionne une méthode de calcul et effectue des calculs … Sur la base des résultats de calculs obtenus, l’utilisateur évalue, si nécessaire, modifie le modèle informatique, et effectue à nouveau les calculs. Le but de la modélisation est de d’écrire au mieux les phénomènes physiques puis de trouver une solution adapté et satisfaisante au problèmes de conception qui peuvent t’être rencontrés.

Les résultats de la simulation sont utilisés lors de la prise de décision de conception, pour améliorer davantage le modèle créé de l’installation, identifier les goulots d’étranglement au niveau de l’installation d’exploitation et optimiser le système d’exploitation.

Utilisation de la simulation CFD dans les centres de données

Malheureusement, des températures de fonctionnement plus élevées peuvent réduire le temps de réaction en cas d’augmentation rapide des températures due à une panne de l’unité de refroidissement. Un centre de données contenant des serveurs fonctionnant à des températures plus élevées risque de subir instantanément des pannes matérielles simultanées. Les récentes réglementations ASHRAE soulignent l’importance d’une surveillance proactive de la température environnementale à l’intérieur des salles serveurs.Les centres de données sont des objets idéaux pour la modélisation informatique, car il est impossible de créer un prototype ou un modèle physique d’un centre de données. Et sans créer un modèle de centre de données, il est impossible de prédire avec une précision suffisante comment le système de climatisation fonctionnera dans une installation d’exploitation réelle, comment le système de climatisation se comportera lorsque la charge changera, comment la température changera dans un rangée de racks de serveurs et le long de la hauteur de chaque rack.

Lors de la conception d’un système de climatisation dans un centre de données, un grand nombre de paramètres doivent être pris en compte. Nous en donnerons ici quelques-uns:

  • La taille et le volume de la pièce;
  • Placement d’armoires et de racks de télécommunications dans la salle des serveurs;
  • Hauteur du plancher surélevé; directionvolume et vitesse de déplacement des courants d’air froid;
  • Emplacement des équipements de climatisation;
  • Les types de ventilateurs utilisés et la direction du flux d’air,
  • La prise en compte des obstacles au flux d’air froid;
  • Le type de dalles de plancher surélevé utilisées et la géométrie des sorties.

 

Lors de la conception d’un système de climatisation sans l’utilisation de l’analyse CFD, la plupart de ces paramètres n’est pas correctement pris en compte ou est surdimensionnée. En effet, l’influence réelle sur la distribution de la température et de l’humidité dans la salle du data center selon le paramètre étudié ne peut pas être estimée de manière fiable sans simulation informatique précise.

Logiciels de CFD pour les Data centers

Il existe un grand nombre de programmes sur le marché qui permettent de résoudre divers problèmes liés à la simulation de flux de liquides et de gaz. Parmi ces programmes, on note les suivants : ANSYS, Autodesk CFD, Xflow, Open Foam, Phoenics, Flow Vent,STAR-CD , FASTEST-3, Flow Vision, Tile Flow, Sigma6room, Gas Dynamics Tool… Cependant, tous les programmes de simulation d’écoulement thermodynamique ne disposent pas de modules prêts à l’emploi et de bibliothèques d’éléments intégrés, prenant en compte les spécificités des centres de données.

Les logiciels tels que Tile Flow et Sigma 6 ont des modules, des programmes et des bibliothèques intégrés pour simuler les flux d’air dans le centre de données. Pour les ingénieurs n’ayant pas l’habitude de travailler avec des programmes de modélisation CFD, il est logique d’envisager l’achat de ce type de logiciels, qui contiennent déjà des modèles prêts à l’emploi pour calculer les flux d’air dans le centre de données, il existe des bibliothèques d’équipements (par exemple, des ventilateurs, pompes, unités de climatisation). Dans tous les cas, ce qui fait la qualité de l’étude est le niveau d’expérience de l’ingénieur en charge de la simulation. L’ingénierie CFD doit être réalisée par des spécialistes.

Les étapes de la conception de la modélisation CFD d’un centre de données

Récupération des hypothèses d’études

Avant d’effectuer le processus de modélisation d’un centre de données existant, il est nécessaire de mener une étude complète et précise de l’objet : mesurer la vitesse des flux d’air, mesurer la pression, prendre des mesures de température, déterminer les canaux de circulation d’air et détecter les obstacles et les lieux possibles des fuites d’air. Autrement dit, la tâche d’examen d’un objet existant lui-même est assez laborieuse mais, cependant, extrêmement utile. Parce que dans le processus de collecte des données, les goulots d’étranglement sont identifiés. Pour résoudre la problématique de création d’un modèle pour un nouveau centre de données, il est nécessaire de collecter des données initiales de l’espace et de valider les hypothèses sur les technologies et les appareils utilisés.

Modélisation 3D du centre de données

Ensuite, il s’agit de créer un modèle géométrique du centre de données (ou jumeau numérique) et des éléments qui composent le centre de données. Un modèle 3D d’un objet est créé à l’aide de programmes CAO, puis les données sont exportées vers le module de simulation CFD.

Création du maillage

Ensuite, il s’agit de créer le modèle de résolution. Cette étape est réalisée dans des programmes utilisant des modules logiciels de génération de maillage intégré ou en utilisant des produits logiciels séparés. La précision, la convergence et la vitesse de calcul dépendent du maillage. La qualité des résultats obtenus dépend directement de la qualité du maillage (finesse, adaptation du maillage…). Après l’étape de construction du maillage, l’utilisateur se doit de vérifier la qualité du maillage construit par différents paramètres (asymétrie des éléments, rapport hauteur / largeur).

Mise en œuvre des conditions limites & simulations

Les conditions aux limites sont entrées dans le programme et les modèles sont sélectionnés en fonction des hypothèses, puis un calcul est effectué, celui-ci peut converger ou diverger (c’est-à-dire ne pas avoir de solution correcte) en fonction des différents paramètres ci-dessus.

Après la convergence, les résultats des calculs peuvent être traités par des programmes spéciaux et affichés sous forme de graphique, de tableau ou même d’animation, démontrant clairement les changements des paramètres physiques. Pour les centres de données, une représentation visuelle des données calculées est généralement utilisée sous forme de répartition de la température sur la zone de la salle informatique et sur la hauteur des racks de serveurs.

Ensuite, l’ingénieur analyse les résultats calculés et, si nécessaire, modifie les modèles d’objet et effectue à nouveau les calculs.

Quel impact sur la conception ?

Les outils modernes de conception permettent aux ingénieurs CFD d’échanger avec les différents corps de métier, de manière à expliquer simplement les phénomènes à l’origine des problématiques puis de proposer des solutions qui pourront être validées collégialement.

Synthèse

Les programmes CFD permettent de simuler l’écoulement de liquides et de gaz, ainsi que d’autres phénomènes physiques associés à ce processus, tel que, par exemple, le transfert de chaleur. La modélisation thermodynamique offre de grandes opportunités pour analyser les flux de liquides et de gaz, ce qui permet de concevoir à un haut niveau professionnel de nouveaux systèmes, équipements ou d’optimiser le fonctionnement des systèmes existants.

Sans l’utilisation de la modélisation CFD, il est impossible d’obtenir des réponses précises à des questions aussi fondamentales que la distribution des températures et de l’humidité le long des allées froides et de la hauteur de la salle des racks de serveurs, en fonction :

  • de la charge thermique;
  • des lieux d’installation des unités de climatisation;
  • de la température des caloporteurs et des réfrigérants;
  • de la hauteur de plancher surélevé;
  • de la répartition des grilles de diffusion;
  • du type de ventilateurs et autres paramètres.

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