Klik hier voor het eerste artikel!

In dit artikel zal een vergelijk worden gemaakt met de resultaten uit de paper geschreven door (Nada, Said, & Rady, 2016). Dit zal betekenen dat het verhoogde vloerplenum ook meegenomen zal worden in de simulaties. In de paper wordt de simulatie in twee delen uitgevoerd. In het eerste deel wordt de simulatie van het verhoogde vloerplenum doorgerekend tot aan de geperforeerde tegels. De massastroom die door elk van de tegels gaat wordt vervolgens gebruikt als invoer in het tweede gedeelte van de berekening waarbij de serverruimte en de geperforeerde tegels worden gemodelleerd op dezelfde manier als in de voorgaande berekeningen.

Naast het uitvoeren van de simulatie op dezelfde manier als in de paper zullen we het datacentrum in dit artikel ook een keer en zijn volledigheid doorrekenen, dus zowel de serverruimte als het verhoogde vloerplenum.

Dit artikel zal niet alleen de simulatie die is uitgevoerd door (Nada, Said, & Rady, 2016) vergelijken met de berekening die wij uitvoeren. Maar zal ook kijken naar het effect van het doorrekenen van het datacentrum in een keer, en het apart doorrekenen van de serverrruimte en het verhoogde vloerplenum.

Geometrie

De simulatie is opgezet op dezelfde manier als beschreven in de referentie artikelen. De datacentrum ruimte bestaat uit een box met dimensies 6.71 x 5.49 x 3.0 m. In deze ruimte staan 14 zogenoemde racks welke elk een dimensie van 0.61 x 0.915 x 2.0 m hebben. Elk rack bestaat uit 4 servers met dimensies 0.61 x 0.915 x 0.5 m. De 14 racks zijn opgedeeld in twee rijen van elk 7 racks, en dus 28 servers. Elke rij staat 1.22m van de andere rij vandaan, als ook 1.22m van elk van de wanden vandaan. 14 geperforeerde tegels liggen in twee rijen van 7 tussen de twee racks in. Elke tegel heeft een dimensie van 0.534 x 0.534 x 0.15m en vormen samen de koude gang.

In het dak van het datacentrum zitten in totaal 6 openingen welke natuurlijke ventilatie verschaffen.

Het verhoogde vloerplenum is gecreëerd met dezelfde breedte en lengte als de ruimte erboven, en heeft een hoogte van 0.6m. Aan beide zijden van de ruimte is een Computer Ruimte Air-Conditioning (CRA/C) eenheid aanwezig waarvan de instroom is toegevoegd. De CRA/C eenheid instroom wordt toegevoegd over de volledige hoogte van het verhoogde vloerplenum. De breedte van de CRA/C instroom is 3.33m, waarbij een oppervlak wordt gecreëerd welke gelijk is aan het oppervlak van de geperforeerde tegels.

Fysica

Een 3D-simulatie wordt uitgevoerd, waarbij gebruik wordt gemaakt van een gescheiden oplosser voor de stroming en energie vergelijkingen. De lucht wordt gemodelleerd als een idealgas. Zwaartekracht is toegevoegd in het model om rekening te kunnen houden met de verschillen in drijfvermogen van de lucht op verschillende temperaturen. Voor de turbulentie is gebruik gemaakt van het realistische twee-lagen k-ε turbulentiemodel. De tegels op de vloer worden gemodelleerd als een poreus medium.

Randvoorwaarden

Figuur 1: Datacentrum opzet voor alle drie de simulaties (alleen de serverruimte, figuur a en b, alleen het verhoogde vloerplenum, figuur c, volledige datacentrum, figuur d en e)

n Figuur 1 worden de verschillende randvoorwaarden weergeven door de verschillende kleuren. De CRA/C instroom is weergeven in rood, en de drukuitlaten zijn weergeven in oranje. Dit zijn zowel de tegels in het eerste gedeelte van de eerste simulatie, als de natuurlijke ventilatieopeningen in de berekening van het volledige datacentrum.  In het tweede gedeelte van de eerste berekening zijn de tegels massastroominlaten waarbij de massastroom op de drukuitlaten in het eerste deel van de berekening worden gebruikt.

In de tweede berekening zijn de tegels met een raakvlak (in geel) verbonden aan zowel de serverruimte als het verhoogde vloerplenum. In dit geval is er dus geen drukuitlaat nodig op de tegels. De tegels worden gemodelleerd als een poreus medium.

De instellingen en randvoorwaarden van de simulatie zijn zo veel mogelijk hetzelfde gehouden als in de gebruikte referentiepapers. Deze instellingen zijn samengevat in Tabel 1.

Tabel 1: Datacentrum CFD randvoorwaarden (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012)

Poreuze media

In de referentie artikelen wordt een kracht berekend welke rekening houdt met het veranderende impuls door de geperforeerde tegel in vergelijking met een volledig open tegel.

Vergelijking 1

In deze vergelijking is V het volume van het door te rekenen lichaam in m3, ρ is de dichtheid van lucht in kg/m3, Q is de stroming door een volledig open lichaam in m3/s, σ is de openingsratio en A is het oppervlak van een volledig open lichaam in m2 (Fernando, Siriwardana, & Halgamuge, 2012).
In Siemens Simcenter STAR CCM+ kan een poreus lichaam worden gebruikt om rekening te houden met een gedeeltelijk open lichaam. De verandering in druk over de dikte (ΔP/t ) over een poreus lichaam wordt beschreven aan de hand van de snelheid, v, een traagheidsweerstand, a, en een viskeuze weerstand, β. Deze waarden worden berekend aan de hand van vergelijking 2.

Vergelijking 2

Door Q = Av and ΔP = F/A te substitueren in vergelijking 1 kan een equivalente vergelijking aan vergelijking 1 worden gevonden.

Vergelijking 3

Gezien er geen term is voor de snelheid maar alleen voor de kwadratische snelheid wordt aangenomen dat de visceuze weerstand β = 0. Verder wordt aangenomen dat de stroming door zowel de tegels als de servers in een enkele richting beweegt (z-richting voor de tegels en y-richting voor de servers).

Servers

Elke server wordt gemodelleerd als een poreus lichaam, zoals hierboven beschreven. Elke server bevat een volumetrische warmteproductie van 875W over het gehele volume.

Resultaten

Een groot verschil kan worden gezien als de massastroom door de tegels wordt vergeleken tussen de twee losse berekeningen en de enkele berekening van het volledige datacentrum.

Als het verhoogde vloerplenum apart wordt gemodelleerd van de serverruimte dan komt de massastroom door elk van de tegels redelijk goed overeen met de resultaten uit de paper door (Nada, Said, & Rady, 2016). De grootste massastroom gaat door de middelste tegel, en de massastroom neemt af naarmate de tegels dichter bij de CRA/C instroom oppervlakten liggen. Echter, als de tegels als een poreus medium het verhoogde vloerplenum met de serverruimte verbinden dan is de massastroom door elk van de tegels constant. Dit betekend dat de weerstand geproduceerd door de perforatie van de tegels een grotere invloed heeft op de massastroomverdeling dan de locatie van de tegels ten opzichte van de CRA/C instroom.

Dit resultaat geeft aan dat de aanname die werd gemaakt in het vorige artikel, waarbij elke tegel een constante massastroom meekreeg, correct is.

Figuur 2: Massastroom vergelijking

Figuur 3: Iso-oppervlakten op 13C; links: twee losse simulaties, rechts: enkele simulatie

Een vergelijking van een temperatuursiso-oppervlak op 13C tussen de twee berekeningen is gevisualiseerd in Figuur 3. Links wordt het iso-oppervlak van de berekening die in twee losse simulaties is opgedeeld weergeven en rechts wordt het iso-oppervlak van de berekening van het volledige datacentrum weergeven. De curve die ook in de grafiek in Figuur 2 te zien is, is ook zichtbaar in het linker figuur in Figuur 3. Het iso-oppervlak in het rechterfiguur laat een golfachtig patroon zien. Op de locaties direct boven het midden van een geperforeerde tegel bereikt de koude lucht een hogere locatie in de serverruimte dan de lucht die boven de dichte vloer hangt.

Als de luchtstroom door de geperforeerde tegels een meer evenredig beeld laat zien wordt ook de temperatuursverdeling in de serverruimte egaler. De simulatie waar het verhoogde vloerplenum en de serverruimte in twee losse berekeningen worden doorgerekend geeft een maximale temperatuur van 29.7C in de bovenste hoeken van de rack rijen (zoals gevisualiseerd in Figuur 5a). De maximale temperatuur die wordt bereikt in de berekening van het volledige datacentrum is 28.7C in de bovenste hoek van de middelste rack, zoals gevisualiseerd in Figuur 5b.

Figuur 4: Vergelijking rack temperatuursdistributie

Figuur 5: Temperatuursdistributie op Z = 1.95m

Conclusie

De massastroming door de geperforeerde tegels zoals gevonden in de referentiepaper geschreven door (Nada, Said, & Rady, 2016) is gereproduceerd in dit artikel. Echter is er gevonden dat een constante massastroom door de geperforeerde tegels een meer realistisch beeld geeft. Dit leidt ook tot lagere temperaturen in het datacentrum.

Bibliography

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