Livre blanc : Utilisation de la CFD pour les data centers
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Virtualisation : Une densité thermique en forte augmentation
Montée en puissance des infrastructures numériques : Virtualisation et IA
La demande mondiale en infrastructures numériques connaît une croissance exponentielle, portée par l’essor du cloud, de l’IA, de l’IoT et des applications data-intensives. Dans ce contexte, les data centers jouent un rôle essentiel : ils hébergent les serveurs, équipements de stockage et réseaux permettant de traiter et distribuer l’information.
Parallèlement, la charge thermique des centres de données a fortement augmenté. La miniaturisation des équipements, la virtualisation massive des serveurs et la multiplication des applications IA génèrent une production de chaleur par unité largement supérieure à celle observée précédemment. Alors qu’une capacité de refroidissement de 5 kW par rack suffisait autrefois, de nombreux serveurs dépassent aujourd’hui 10 kW par rack, et certaines installations atteignent jusqu’à 45 kW.
Dans ce contexte d’intensification thermique, la maîtrise des flux d’air et du refroidissement devient critique et une question centrale se pose alors :
« Le système de climatisation est-il capable de gérer 100 % de la charge thermique, y compris en conditions dégradées ? »
Conséquences économiques et matérielles
Les défis thermiques dans les data centers peuvent avoir des conséquences importantes et multidimensionnelles. Une mauvaise gestion de la chaleur peut entraîner une augmentation significative des coûts d’exploitation, liés à la consommation énergétique et à la maintenance corrective.
Elle peut également provoquer une réduction de la durée de vie des équipements IT, car les composants électroniques sont sensibles aux variations de température et aux surchauffes répétées. Le risque de pannes matérielles soudaines ou d’interruptions de service est accru, pouvant impacter la continuité des activités et générer des coûts élevés pour les opérations.
Enfin, ces problèmes thermiques peuvent limiter la capacité à augmenter la charge IT, bloquant les projets d’expansion et la montée en puissance des infrastructures.
Les méthodes classiques de calcul thermique, basées sur des formules simplifiées ou des tableaux Excel, ne suffisent pas à anticiper le comportement des systèmes en conditions critiques, comme une panne de climatisation, une coupure d’alimentation ou la maintenance de racks, rendant ces risques encore plus difficiles à maîtriser.
C’est pour répondre à ces enjeux que la simulation numérique CFD (Computational Fluid Dynamics) s’impose comme un outil stratégique. Elle permet de modéliser précisément les écoulements d’air, la pression, la distribution thermique et les configurations de refroidissement, et d’anticiper les scénarios les plus critiques. Grâce à cette approche, il est possible de concevoir et d’exploiter des data centers plus fiables et optimisés, en prévenant tout risque de surchauffe ou de dysfonctionnement.
Défis thermiques dans les Data Centers
La maîtrise de la température dans un data center est un exercice complexe résultant d’interactions multiples : architecture du bâtiment, densité de charge IT, dynamique des flux d’air, technologies de refroidissement et évolutions opérationnelles.
Densification des charges IT
Les serveurs modernes, en particulier ceux destinés aux applications de calcul intensif comme l’intelligence artificielle (IA) ou le calcul haute performance (HPC), peuvent dissiper plusieurs dizaines de kilowatts par baie. Cette forte densité d’équipements génère une charge thermique importante dans les data centers, nécessitant des systèmes de refroidissement particulièrement performants et pour lesquels la marge d’erreur est considérablement réduite. À mesure que la puissance augmente, les risques de hot spots et de recirculations d’air chaud s’intensifient.
Ainsi, la densification des serveurs requiert non seulement un dimensionnement précis des installations de refroidissement, mais aussi une gestion active des flux d’air et un contrôle thermique rigoureux afin de garantir un environnement stable et sûr pour les équipements.
Formation de points chauds (hot spots)
Les hot spots sont des zones où la température dépasse les seuils recommandés par les normes ASHRAE, pouvant apparaître à cause d’une mauvaise répartition du flux d’air, d’obstacles physiques, du positionnement des racks, d’unités de refroidissement mal calibrées, de variations de charge ou de modifications de l’aménagement, comme l’ajout de serveurs ou de racks supplémentaires.
Même dans des centres à faible charge thermique, ces déséquilibres thermiques ont un impact direct sur la fiabilité et la durée de vie des équipements. Les composants électroniques, notamment les processeurs et les mémoires, sont sensibles aux variations de température et peuvent voir leur performance et leur longévité réduites. De plus, des températures localement élevées augmentent le risque de panne matérielle soudaine, ce qui peut provoquer des interruptions de service coûteuses.
Souvent invisibles sans outils spécialisés, ces points chauds nécessitent des interventions difficiles à prévoir. La simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) constitue alors un outil clé pour détecter, anticiper et prévenir ces zones critiques, en optimisant la circulation de l’air et la gestion thermique des data centers.
Simulation CFD - Point chauds dans les allées
Recirculations d’air chaud
La recirculation de l’air dans un data center correspond au phénomène par lequel l’air chaud évacué par les serveurs retourne dans l’allée froide avant d’avoir été correctement refroidi. Ce phénomène perturbe le flux thermique prévu et peut avoir des conséquences significatives sur le fonctionnement et l’efficacité du système de refroidissement.
Lorsque l’air chaud se mélange à l’air froid de l’allée froide, la température à l’entrée des baies augmente. Les serveurs reçoivent alors de l’air déjà réchauffé, ce qui réduit l’efficacité du refroidissement et peut provoquer des variations thermiques importantes. Ce défaut de refroidissement augmente également le risque de hot spots, pouvant compromettre la fiabilité et la durée de vie des équipements.
La recirculation entraîne aussi une surconsommation des unités de climatisation. Les systèmes doivent fournir davantage d’air froid pour compenser le mélange de flux, ce qui accroît la consommation énergétique et réduit l’efficacité globale du data center.
Plusieurs causes peuvent expliquer ce phénomène. Une mauvaise étanchéité des allées, par exemple l’absence de brosses ou de panneaux obturateurs (blanking panels) dans les baies, permet à l’air chaud de s’échapper vers l’allée froide. Un confinement mal conçu, comme des allées froides ou chaudes ouvertes ou partiellement cloisonnées, favorise également le retour de l’air chaud. Enfin, un débit d’air insuffisant, ne permettant pas de chasser efficacement l’air chaud, contribue à accentuer la recirculation.
Simulation CFD - Recirculation d'air chaud sur les systèmes
Face à l’incertitude ou au risque de points chauds, de nombreux exploitants choisissent de surrefroidir la salle. Conséquence : les unités HVAC tournent à une puissance supérieure au besoin réel, augmentant le PUE (Power Usage Effectiveness) et les coûts énergétiques, parfois de manière significative. Le défi consiste à refroidir exactement ce qu’il faut, où il faut, sans gaspillage. Ainsi, une gestion rigoureuse de l’architecture des allées, combinée à un dimensionnement approprié des flux d’air, est donc essentielle pour limiter la recirculation et maintenir des conditions de refroidissement optimales dans un data center.
Maîtrise de températures et d’humidité
La température et l’humidité sont des facteurs essentiels pour garantir le fonctionnement fiable et durable d’un data center. Une température trop élevée accélère l’usure des composants électroniques, réduit l’efficacité des systèmes de stockage et augmente le risque de panne. Inversement, une humidité trop élevée peut provoquer de la condensation sur les circuits, entraînant des courts-circuits et des pertes de données. À l’opposé, une humidité trop faible favorise l’électricité statique, susceptible d’endommager les composants sensibles.
La maîtrise de l’humidité est donc un élément clé de la protection des infrastructures numériques. Elle influence directement la sécurité des équipements, la pérennité des serveurs et la stabilité des systèmes de stockage de données critiques. Dans les environnements à forte densité de calcul, comme les centres hébergeant des serveurs pour l’intelligence artificielle ou le calcul haute performance, la gestion précise de la température et de l’humidité devient encore plus critique. Le moindre déséquilibre peut amplifier les risques de surchauffe, de recirculation d’air chaud ou de défaillances matérielles, impactant à la fois la continuité de service et la consommation énergétique.
Une régulation fine de ces paramètres permet donc non seulement de prévenir les incidents, mais également d’optimiser l’efficacité énergétique du centre, en évitant le refroidissement excessif ou mal ciblé qui consommerait inutilement de l’énergie sans bénéfice réel pour la protection des équipements.
Départs de feux
Les data centers présentent des risques incendie spécifiques liés à la forte concentration d’équipements électriques et électroniques et aux alimentations électriques de forte puissance. Une défaillance matérielle, un court-circuit, une surchauffe locale ou un défaut d’alimentation peut rapidement conduire à un départ de feu. Bien que les matériaux utilisés soient généralement conformes aux normes de sécurité, la combustion de composants électroniques génère des fumées denses, toxiques et corrosives, représentant un danger majeur pour les personnes et les équipements.
Au-delà du risque de propagation du feu, l’accumulation rapide de fumées chaudes peut fortement dégrader la visibilité dans les locaux, compliquer l’intervention des équipes de secours et entraîner une élévation rapide de la température ambiante. Dans un environnement confiné tel qu’un data center, ces phénomènes peuvent se produire en quelques minutes, rendant la maîtrise des flux d’air et le dimensionnement des systèmes de désenfumage particulièrement critiques.
Dans ce contexte, la simulation numérique par CFD constitue un outil essentiel pour analyser et anticiper le comportement du bâtiment en situation incendie. Elle permet de modéliser la propagation des fumées, l’évolution des températures et l’influence des flux aérauliques générés par la ventilation ou le désenfumage. La CFD permet notamment d’évaluer l’efficacité des systèmes de désenfumage, d’identifier les zones de stagnation des fumées et de vérifier que les cheminements restent praticables.
L’objectif principal de ces simulations est de garantir des conditions d’intervention acceptables pour les services de secours, en assurant une visibilité suffisante et des températures compatibles avec leur intervention. La CFD permet ainsi de vérifier que l’activation du désenfumage limite efficacement l’accumulation de fumées, favorise leur évacuation vers l’extérieur et maintient des conditions thermiques maîtrisées pendant toute la durée de l’intervention. Ces analyses contribuent à renforcer la sécurité, à limiter les dommages matériels et à valider la conformité des installations aux exigences de sécurité incendie.
La simulation CFD : un outil indispensable
Qu’est-ce que la simulation CFD ?
La CFD, Computational Fluid Dynamics, est une méthode de simulation numérique permettant de modéliser le comportement des fluides et les phénomènes thermiques associés. À l’aide d’un logiciel spécialisé, l’ingénieur construit un modèle tridimensionnel de l’objet étudié, définit les conditions aux limites, choisit les modèles physiques pertinents (convection, conduction, rayonnement, transfert de chaleur, dynamique des écoulements, etc.) et sélectionne une méthode de calcul.
Une phase d’itérations s’ensuit : sur la base des résultats obtenus, le modèle est ajusté afin de mieux représenter les phénomènes physiques réels. L’objectif de la modélisation CFD est de comprendre, analyser et optimiser les comportements thermiques et fluidiques d’un système, afin d’apporter une solution fiable aux problèmes de conception ou d’exploitation identifiés.
Les résultats issus des simulations constituent un outil d’aide à la décision : ils permettent d’améliorer la conception initiale d’une installation, d’identifier les goulots d’étranglement et d’optimiser les performances opérationnelles.
Un outil de compréhension et de visualisation
La gestion thermique est cruciale dans les centres de données. Une montée rapide de la température due à une défaillance de refroidissement peut provoquer des pannes simultanées d’équipements, menaçant la continuité de service. Contrairement aux mesures ponctuelles traditionnelles, la CFD offre une vision globale et prédictive, permettant d’anticiper les problèmes avant qu’ils ne surviennent.
- Visualiser l’invisible
La CFD permet de rendre visibles et quantifiables des phénomènes aérauliques et thermiques qui ne peuvent être observés directement à l’œil nu. Elle met notamment en évidence les trajectoires des flux d’air, les zones de recirculation d’air chaud, les gradients de température, les zones de surchauffe localisées ainsi que les effets liés à la turbulence et aux variations de pression. Cette capacité de visualisation tridimensionnelle constitue un outil particulièrement pertinent dans le contexte des data centers, où la complexité des écoulements est élevée et où la réalisation de prototypes physiques à grande échelle est irréaliste, voire impossible. La CFD offre ainsi une compréhension fine du comportement thermique du local et permet d’anticiper les dysfonctionnements avant toute modification ou mise en œuvre sur site.
- Un outil prédictif et optimisateur
Grâce à la CFD, les ingénieurs disposent d’un outil d’aide à la décision leur permettant d’évaluer et de comparer différentes configurations de manière virtuelle avant toute mise en œuvre sur site. Elle permet notamment d’anticiper l’impact de l’ajout ou de l’augmentation des charges IT, d’analyser l’efficacité des stratégies de confinement des allées chaudes et froides, et de prévoir le comportement aéraulique et thermique du système en situation dégradée, comme la défaillance d’une unité de refroidissement. Cette approche garantit la validation de solutions techniques sans interruption de service, tout en limitant les risques opérationnels et en évitant les surcoûts associés à des choix de conception inadaptés ou à des corrections a posteriori.
- Réduction des coûts et performance énergétique
La simulation CFD constitue un levier majeur d’optimisation technico-économique des data centers. Elle permet de cibler précisément les besoins réels en refroidissement et d’éviter le surdimensionnement des équipements, réduisant ainsi les investissements inutiles en infrastructures supplémentaires. En optimisant la distribution des flux d’air et l’efficacité des systèmes de refroidissement, elle contribue également à une baisse significative de la consommation énergétique des installations HVAC, tout en limitant les phénomènes de surrefroidissement. Cette optimisation fine permet, dans de nombreux cas, d’augmenter la capacité d’accueil IT sans nécessiter de nouvelles infrastructures lourdes.
Applications typiques de la CFD dans les data centers
La CFD permet de simuler de nombreux scénarios critiques :
- Distribution d’air dans les allées froides et chaudes,
- Pression sous plancher surélevé,
- Température autour des systèmes,
- Performance des unités CRAC/CRAH,
- Efficacité du confinement,
- Impact d’une panne d’unité de refroidissement
- Conséquence d’une variation de charge
- Comparaison entre différentes configurations de refroidissement
Ces analyses permettent de prendre des décisions éclairées sur la conception et l’exploitation des data centers, offrant un niveau de précision inatteignable par des sondes thermiques seules ou par l’expérience empirique.
Logiciels de CFD adaptés aux data centers
Le marché propose une variété de logiciels capables de simuler les écoulements et phénomènes thermodynamiques : ANSYS, Autodesk CFD, XFlow, OpenFOAM, Phoenics, FlowVision, STAR-CD, TileFlow, Sigma6Room, Gas Dynamics Tool, etc.
Certains outils, comme TileFlow ou Sigma6, intègrent des bibliothèques spécifiques pour les data centers (ventilateurs, unités de climatisation, dalles perforées, équipements IT), simplifiant la modélisation pour les ingénieurs moins expérimentés. Néanmoins, la qualité des analyses dépend fortement de l’expertise du spécialiste en CFD, capable d’ajuster correctement les modèles et d’interpréter rigoureusement les résultats.
Processus de réalisation d’une étude CFD
Collecte des données
Le recueil de données constitue la phase initiale et déterminante de toute étude CFD, car il conditionne directement la fiabilité et la pertinence des simulations numériques à venir.
Cette étape repose majoritairement sur l’analyse des informations techniques, telles que les plans d’implantation, les caractéristiques des équipements, les schémas aérauliques, les puissances dissipées et les données de fonctionnement nominales. Ces éléments permettent de caractériser les vitesses d’air, les niveaux de pression, les champs de température et les débits, ainsi que d’identifier les obstacles, les chemins préférentiels d’écoulement ou les zones potentielles de fuite.
Cette phase d’analyse est essentielle pour établir une base de modélisation cohérente, définir correctement les hypothèses et paramétrer les conditions aux limites, tout en mettant en évidence les premiers points critiques susceptibles d’impacter les performances thermiques et aérauliques du système.
Création du modèle 3D
La création d’un modèle tridimensionnel constitue une étape clé de l’étude CFD, car elle permet de représenter fidèlement le data center sous la forme d’un jumeau numérique exploitable pour les calculs. Ce modèle 3D est élaboré à l’aide d’outils de conception assistée par ordinateur (CAO) et intègre l’ensemble des éléments géométriques ayant une influence sur les écoulements d’air et les transferts thermiques.
La taille et le volume de la salle sont définis avec précision, tout comme la disposition des racks informatiques et des armoires télécom, afin de reproduire les chemins réels de circulation de l’air. Le plancher technique est modélisé en tenant compte de sa hauteur, de la position et du taux de perforation des dalles, qui conditionnent l’injection de l’air froid. Les équipements de climatisation sont intégrés avec leurs caractéristiques fonctionnelles, incluant les débits, vitesses et directions des flux d’air, ainsi que le type de ventilateurs et l’orientation du soufflage. Les obstacles susceptibles de perturber l’écoulement, tels que les chemins de câbles ou structures annexes, sont également pris en compte.
Cette modélisation détaillée permet d’éviter les hypothèses simplificatrices ou les surdimensionnements couramment utilisés en l’absence de CFD, et fournit une base réaliste pour prédire avec précision les conditions thermiques et aérauliques du data center, réduisant ainsi les risques de conception sous-optimale.
Conditions limites
Les conditions aux limites en mécanique des fluides numérique (CFD) constituent un élément fondamental de la modélisation, car elles traduisent mathématiquement l’interaction entre le domaine de calcul et son environnement physique. Elles définissent, sur les frontières du domaine maillé, les valeurs imposées ou les relations fonctionnelles des grandeurs conservées telles que la vitesse, la pression, la température ou les flux de chaleur.
Selon la nature physique du problème, différentes typologies de conditions aux limites sont appliquées : conditions de type Dirichlet imposant une valeur fixée (par exemple une vitesse ou une température), conditions de type Neumann imposant un gradient ou un flux, ou conditions mixtes combinant les deux. Les entrées et sorties d’écoulement sont généralement caractérisées par des profils de vitesse, de débit massique ou de pression, tandis que les parois solides peuvent être modélisées comme adhérentes (condition de non-glissement), isothermes ou adiabatiques. Les modèles de turbulence requièrent en outre des conditions spécifiques pour les grandeurs turbulentes, cohérentes avec le régime d’écoulement attendu.
Le choix et l’implémentation rigoureuse de ces conditions sont essentiels pour assurer la stabilité numérique, la convergence de la solution et la représentativité physique des résultats, toute incohérence pouvant conduire à des erreurs significatives ou à des solutions non physiques.
Maillage
La simulation mathématique de l’écoulement de l’air et de procédés de transfert de chaleur comprend la résolution numérique d’un ensemble d’équations aux dérivées partielles, non linéaires, de second ordre.
Le modèle numérique des espaces étant composé d’une infinité de points, il est impossible de résoudre les équations aux dérivées partielles, même numériquement. La structure est donc découpée en un nombre fini de points qui se traduit par une décomposition de la géométrie en forme simple. L’ensemble de ces nœuds et éléments constituent le maillage du modèle.
Le logiciel effectue une interrogation topologique complète de la géométrie de l’analyse et détermine la taille et la distribution en maille sur chaque arête, surface et dans le volume du modèle. La courbure géométrique, les gradients, et la proximité d’une géométrie voisine sont considérés lors de l’attribution des tailles d’éléments et lors de la distribution du maillage. Le maillage est ensuite systématiquement affiné par les ingénieurs en charge des études dans les zones spécifiques d’étude et à fort gradient.
Le maillage est généré automatiquement selon la géométrie du modèle et à partir des conditions aux limites par l’usage d’algorithmes (méthode d’advection 5 types Petrov-Garlerkin) définissant la solution optimale de convergence.
Le maillage réalisé est de type hybride. Les éléments de ce type de maillage sont générés sans aucune contrainte quant à leur disposition permettant de générer une géométrie complexe tout en gardant une bonne qualité des éléments. Le maillage généré combine un mélange d’éléments de différents types, tétraédriques, prismatiques ou pyramidaux en 3D. Il combine les avantages des maillages structurés et non structurés.
Dans chacun de ces volumes, les équations de conservation sont exprimées sous forme d’équations algébriques. Cet ensemble de volumes finis est désigné comme le maillage.
Analyse et optimisation
L’analyse et l’optimisation des résultats constituent la phase finale de l’étude CFD et permettent de transformer les données numériques en leviers concrets d’amélioration du système.
Les résultats de calcul sont exploités sous différentes formes de visualisation, telles que des cartes thermiques, des champs de vitesse, des coupes verticales ou horizontales, ainsi que des animations représentant les trajectoires et les interactions des flux d’air. Ces représentations facilitent l’identification des zones critiques, notamment les points chauds, les recirculations indésirables, les déséquilibres de débit ou les pertes d’efficacité de la ventilation.
Sur la base de ces analyses, des actions correctives peuvent être proposées, comme la réorganisation des équipements, l’ajustement des débits et orientations de soufflage, la modification de l’implantation des dalles perforées ou l’optimisation du positionnement des systèmes de climatisation. Les scénarios de simulation peuvent être itérés afin de comparer différentes configurations et converger vers une solution offrant un fonctionnement thermique et aéraulique optimal, fiable et conforme aux exigences d’exploitation du data center.
Synthèse
Les logiciels de simulation CFD permettent de représenter avec précision l’écoulement des fluides, qu’ils soient liquides ou gazeux, ainsi que l’ensemble des phénomènes physiques associés, en particulier les transferts de chaleur. En s’appuyant sur la modélisation thermodynamique, ces outils offrent une capacité d’analyse approfondie des comportements aérauliques et thermiques, rendant possible aussi bien la conception de systèmes performants que l’optimisation fine d’installations existantes, notamment dans les environnements complexes tels que les data centers.
Sans le recours à la CFD, l’évaluation fiable de la répartition des températures et des flux d’air dans une salle informatique resterait largement approximative. Ces grandeurs résultent en effet de l’interaction de nombreux paramètres, tels que la charge thermique dissipée par les équipements IT, l’implantation et les performances des unités de climatisation, les températures des fluides caloporteurs, la hauteur et la configuration du plancher technique, la disposition des grilles de soufflage et de reprise, ainsi que le type et les caractéristiques des ventilateurs.
En intégrant simultanément l’ensemble de ces facteurs, la simulation CFD s’impose comme un outil indispensable pour comprendre, anticiper et maîtriser le comportement thermique et aéraulique d’un centre de données, tout en sécurisant les choix de conception et en améliorant l’efficacité énergétique globale.
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Initialement crée en France, EOLIOS Ingénierie est le bureau d’études de référence en simulation thermique et aéraulique pour les data centers en Europe et dans le monde. L’entreprise accompagne les exploitants, concepteurs et maîtres d’ouvrage dans toutes les étapes de la vie d’un data center : conception, optimisation, rénovation ou extension.
En combinant une expertise scientifique pointue, des outils de simulation à la pointe et une connaissance fine de l’écosystème data center, EOLIOS Ingénierie est un partenaire de confiance pour assurer la disponibilité, la sécurité et la performance énergétique des infrastructures IT, tout en anticipant les enjeux de durabilité.
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