Etude des pertes de charges réseaux

EOLIOS calcul et optimise les pertes de charge de vos réseaux

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Les circuits de transport dans les installations industrielles comportent, pour la plupart, de diverses singularités qui provoquent d’importantes modifications de l’écoulement. Leurs influences peuvent engendrer des modifications de l’écoulement telles que la séparation des phases, les instabilités et le changement du régime de l’écoulement.

Dans ce cadre, il devient complexe d’appréhender les pertes de charge dans des réseaux très particuliers. 

EOLIOS est spécialisé dans les études l’aéraulique multi échelles. Cette expertise nous permet de vous apporter une analyse poussée sur les actions d’un gaz ou d’un liquide dans vos réseaux afin de fournir des indications pour la conception de vos différents systèmes. 

Étude de perte de charge

En mécanique des fluides, on appelle « perte de charge » la chute de pression d’un liquide ou d’un gaz due aux différents frottements contre les parois d’un tube ou d’une gaine. Ces frottements engendrent une dissipation de l’énergie mécanique du fluide. Il existe deux types de pertes de charge :

  • Les pertes linéaires ou régulières : Perte d’énergie due aux frottements sur les parois d’un conduit ou d’une canalisation dont la rugosité peut varier.
  • Les pertes singulières : Perte d’énergie due aux diverses singularités du réseau comme les changements de section, les coudes, les entrées ou les sorties…

L'origine des pertes de charge

Perte de charges régulières

Les pertes de charge régulière sont causées par les frottements sur les parois du réseau. Ces frottements sont d’autant plus importants que le fluide est visqueux. La viscosité du fluide conjuguée aux micro aspérités du réseau a pour conséquence d’augmenter le frottement du fluide et par conséquence la dissipation d’énergie.

Pour un liquide ou un gaz considéré, les pertes de charge dépendant de deux choses :

  • La rugosité des conduites : Les matériaux utilisés pour les gaines ou les tubes ont plus ou moins d’aspérités à leur surface. Cette propriété du matériau donne lieu à une perte de charge régulière plus ou moins élevée.
  • Le type d’écoulement : Il existe différents types d’écoulement, on peut citer par exemple les écoulements laminaires, transitoires ou turbulents. La différence entre ces écoulements se traduit par le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses.

Perte de charge singulière

Les pertes de charge régulière ont lieu lorsqu’une modification de géométrie a lieu au sein du réseau. Ces modifications de géométrie entraînent des perturbations de l’écoulement et peuvent parfois donner lieu à des phénomènes tourbillonnaires au sein même de la conduite. 

Usuellement, les pertes de charge régulières sont des changements de section, les coudes, ou des systèmes fixés aux réseaux comme des boîtes de détente, des échangeurs thermiques, etc. 

Leurs influences peuvent engendrer des modifications de l’écoulement telles que la séparation des phases, les instabilités et le changement du régime de l’écoulement. Les pertes de charge singulières sont dans la majorité des cas la source de la majeure partie des pertes de charge.

Optimisation de l’installation et aides à la conception

Dans le secteur des fluides industriels, la perte de charge est un phénomène bien connu qu’il importe de prendre en compte. EOLIOS vous accompagne dans vos démarches de calcul de perte de charge afin de répondre au mieux à vos besoins. Nous sommes en capacité d’apporter un calcul précis des pertes de charge de vos systèmes et de vous guider vers l’optimisation de vos réseaux et de votre installation.

Réalisation de modélisation 3D & simulation CFD de vos réseaux

La réalisation d’un jumeau numérique ainsi qu’une simulation CFD de vos réseaux est possible dans le cadre d’un calcul de perte de charge. La simulation CFD, qu’elle soit stationnaire ou transitoire, peut être une aide précieuse afin de capter tous les phénomènes mis en jeu dans vos systèmes.

Comprendre le fonctionnement de la climatisation d’un data center

Avec l’augmentation de la quantité d’informations et le degré d’informatisation des processus de travail, la question de la sécurité de ces informations lors du fonctionnement ininterrompu des serveurs devient de plus en plus aiguë. Un échec dans ce domaine peut suspendre toutes les activités de l’entreprise et entraîner de graves pertes. L’une des principales conditions pour un fonctionnement stable des serveurs est le maintien de la température optimale de l’air dans le volume des salles de serveurs, ce qui est obtenu en utilisant des systèmes spéciaux basés sur des systèmes de climatisation de précision.

L’exploitation d’un centre de données est énergivore et le système de refroidissement consomme souvent autant (ou plus) d’énergie que les ordinateurs qu’il prend en charge.

Dans cet article, nous examinerons certaines des technologies de refroidissement des datacenters les plus couramment utilisées, ainsi que les nouvelles approches de la simulation CFD.

Conception d’allée froide / d’allée chaude

Il s’agit d’une disposition de rack de centre de données, qui utilise des rangées alternées de type «allées froides» et «d’allées chaudes».

Devant les racks sont disposées des diffusions d’air froid (généralement via des grilles) pour que les serveurs aspirent l’air, puis les allées chaudes évacuent la chaleur de l’arrière des serveurs. Les gaines d’aération sont généralement connectées à un faux plafond prélevant l’air chaud des « allées chaudes» pour être refroidi, puis l’air refroidi évacué dans les «allées froides», via un faux plancher ou des gaines (voir en vrac pour certaines conceptions).

Les racks de serveurs vides doivent être remplis par des panneaux obturateurs, pour éviter la surchauffe et réduire la quantité d’air froid gaspillé. En effet, le vide créé par l’absence de serveurs peut entrainer des transferts d’air parasite compte tenu des différences de pressions entre zone chaude et froide. Ce déplacement d’air parasite est de l’énergie perdue.

Simulation CFD de la répartition des températures allées chaudes et allées froides – Data Center

Système d’eau glacée

Cette technologie est la plus couramment utilisée dans les centres de données de taille moyenne à grande.

L’air dans le centre de données est amené par des systèmes de traitement de l’air, connus sous le nom de systèmes de traitement de l’air de la salle informatique (CRAH), et de l’eau réfrigérée (fournie par un système de refroidissement externe à l’installation) est utilisée pour refroidir la température de l’air.

Quelle est la différence entre les unités CRAC et CRAH ?

Unités CRAC

Les unités CRAC fonctionnent comme les unités de climatisation des maisons. Ils ont un système d’expansion direct et des compresseurs intégrés directement dans l’unité. Ils assurent le refroidissement en soufflant de l’air sur un échangeur de refroidissement rempli de réfrigérant. Le réfrigérant maintient son état froid grâce à un compresseur à l’intérieur de l’unité. L’excès de chaleur est ensuite expulsé par un mélange de glycol, de l’eau ou de l’air. Alors que la plupart des unités CRAC ne fournit généralement qu’ un volume constant et ne module qu’un fonctionnement marche / arrêt, de nouveaux modèles sont en cours de développement qui permettent des variations de flux d’air.

Il existe différentes manières de placer les unités CRAC, mais elles sont généralement installées à l’opposé des allées chaude d’un centre de données. Là, ils libèrent de l’air refroidi à travers les perforations du plancher surélevé (grilles, ou perforations des dalles de sol), refroidissant les serveurs informatiques.

Unités CRAH

Les unités CRAH fonctionnent comme des unités de traitement d’air à eau glacée installées dans la plupart des immeubles de bureau. Ils assurent le refroidissement en soufflant de l’air sur un échangeur de refroidissement rempli d’eau glacée. L’eau réfrigérée est généralement fournie par des «Groupes refroidisseurs d’eau» – autrement connu comme une usine d’eau glacée. Les unités CRAH peuvent réguler la vitesse du ventilateur pour maintenir une pression statique définie, garantissant que les niveaux d’humidité et la température restent stables.

La production d’eau glacée peut être réalisée par détente directe ou par des DRY de type rafraichissement de type adiabatique beaucoup plus économe en énergie.

Quelle est la température optimale d’un data center ?

Les salles de serveurs et les centres de données contiennent un mélange d’air chaud et froid – les ventilateurs du serveur expulsent l’air chaud pendant le fonctionnement, tandis que la climatisation et d’autres systèmes de refroidissement apportent de l’air frais pour contrecarrer tout l’air d’échappement chaud. Le maintien du bon équilibre entre l’air chaud et l’air froid a toujours été primordial pour maintenir la disponibilité des datacenters. Si un centre de données devient trop chaud, l’équipement court un risque de panne plus élevé. Cet échec entraîne souvent des temps d’arrêt, une perte de données et une perte de revenus.

Dans les années 2000, la plage de température recommandée pour le datacenter était de 20 à 24 ° C. C’est la gamme que l’American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) a conseillée comme étant optimale pour une disponibilité et une durée de vie du matériel maximales. Cette plage permettait une meilleure utilisation et fournissait suffisamment d’espace tampon en cas de panne de la climatisation.

Depuis 2005, de nouvelles normes et de meilleurs équipements sont devenus disponibles, tout comme des tolérances améliorées pour des plages de températures plus élevées. ASHRAE a en fait maintenant recommandé une plage de températures de fonctionnement acceptable de 18 ° à 27 ° C.

La hausse de températures en entrée de serveur rend également l’usage du free cooling ou du free chilling (systèmes qui consistent à utiliser l’air extérieur pour souffler de l’air frais dans la salle ou refroidir l’eau à la place du groupe de production d’eau glacée) bien plus intéressant, notamment dans des régions tempérées, comme la France. En effet, avec des consignes de température de 25° C en salle, au lieu de 15° C, les périodes de l’année pendant lesquelles le free cooling pourra être utilisé, sans activer la climatisation, s’allongent considérablement. Ce qui génère d’importantes économies d’énergie et une amélioration du PUE (Power Usage Effectiveness). Il en va de même avec le free chilling, qui pourra être utilisé plus fréquemment dans l’année, pour refroidir les boucles d’eau, les consignes de température étant désormais fixées à 15° C au lieu de 7 °C pour l’eau.

Quelles sont les problématiques d’une température de consigne trop élevée dans un data center ?

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.

Que se passe-t-il s'il fait trop chaud ?

Lorsque la température à l’intérieur du centre de données augmente trop, l’équipement peut facilement surchauffer. Cela peut endommager les serveurs. Les données pourraient être perdues, causant des problèmes majeurs aux entreprises qui font confiance aux services du data center. C’est pourquoi tous les centres de données doivent disposer de systèmes de refroidissement permettant de surmonter une période de crise ou de maintenance.

Que se passe t’il en cas de panne des systèmes de climatisation ?

En fonction de la densité de puissance installée, l’augmentation des températures d’air à l’intérieur de la salle serveur peut être extrêmement rapide. Nous observons généralement lors des simulations de défaillance de type panne de courant, une élévation de l’ordre de 1°C par minute. Il en résulte un risque important de dégradation du matériel et de pertes de données si les systèmes de redondance et de sécurité ne sont pas correctement dimensionnée. D’autre part, le temps redémarrage et d’activation pleine puissances des compresseurs des systèmes climatiques est un enjeux pour les halls les plus exigeants. Pour retarder les effets d’élévation de températures, il existe des systèmes à inertie permettant de stocker de l’énergie calorifique quelques minutes afin de lisser la courbe d’élévation en températures.

Pourquoi réaliser une simulation CFD d’un data center ?

La simulation CFD fournit des informations sur la relation entre le fonctionnement des systèmes mécaniques et les variations de la charge thermique des équipements informatiques. Grâce à ces informations, le personnel informatique et le personnel du site peuvent optimiser l’efficacité du flux d’air et maximiser la capacité de refroidissement.

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