Расчёт тепловых режимов работы серверных помещений в Autodesk CFD

Autodesk CFD относится к классу CAE-программ, которые предназначены для проведения разного вида расчётов. Расчёт в Autodesk CFD проводится методом конечных элементов.

Поскольку Autodesk CFD предназначена исключительно для выполнения расчётов, в программе нет возможности создания геометрии. Предполагается, что создание геометрии проводится в CAD-приложениях – Autodesk Inventor, Autodesk Revit и других, – из которых позже она экспортируется в Autodesk CFD.

Autodesk CFD следует общей концепции графических интерфейсов компании Autodesk. Ниже представлено окно программы и её рабочее пространство.

Пример расчёта будет выполнен на основе модели серверного помещения, которая состоит из следующих элементов:

• объем воздуха в пространстве под потолком;
• объем воздуха в самом помещении;
• объём воздуха под полом;
• перекрытия потолка;
• решётка, через которую поступает горячий воздух под потолок;
• два шкафа с кондиционерами;
• два ряда серверных стоек, в каждом ряду восемь серверов;
• в полу расположены две решётки, через которые подаётся холодный воздух к кондиционерам.

Перед расчётом всем геометрическим объемам и телам назначаются материалы и их свойства. Чтобы вызвать диалоговое окно свойств тел и объемов, нужно выбрать редактируемую часть модели, кликнуть по ней правой кнопкой мыши и в появившемся списке выбрать команду Edit. В окне свойств можно редактировать и назначать свойства материалов: библиотека материалов, типы материалов, механические свойства для жидкостей, газов и твёрдых материалов.

Ознакомьтесь со свойствами каждой составляющей модели:

1. Объемы воздуха в помещении, под потолком и полом:
   

   

2. Перекрытия потолка и пола, шкафы с кондиционерами:
   

   

3. Рештки в полу и потолке:
   

   

   Решётки моделируются с помощью материала Resistance, и для этого материала задаётся отношение свободной части площади к общей площади решётки. Материал назначается не для объёмного тела, а для отдельных поверхностей, через которые проходит воздух.

   

   В свойствах материала указывается коэффициент проницаемости Free Area Ratio. Для решёток в полу этот коэффициент имеет значение 0,4, для решёток в потолке – 0,8.

    

4. Корпус серверных стоек:
   

   

5. Серверы:
   

   

   
   

   Серверы пропускают через себя воздух, соответственно, помимо параметров материала необходимо задать направление и постоянное значение воздуха, который циркулирует через серверы. Для этого в окне свойств кликните кнопку Edit и в появившемся окне Material Editor на первой вкладке обратите внимание на параметр Flow, значение которого нужно установить. Два других параметра – Rotational Speed и Slip factor – позволяют смоделировать поток, выходящий из реального вентилятора, в котором воздух приобретает не только осевой компонент скорости, но и вращательный, так как поток воздуха в вентиляторах закручивается. Но в данном примере нет необходимости учитывать эти два параметра, а устанавливается только производительность, с которой сервер пропускает через себя воздух.

   

   Забор воздуха серверами осуществляется с их наружной стороны и выводится в пространство между стойками. Соответственно, для одного ряда серверов движение воздуха осуществляется по оси X, для другого – против.

   

    

6. Кондиционеры:
   

   Для кондиционеров, как и для серверов, задаются дополнительные характеристики – для этого обратитесь к окну Material Editor.

   Характеристика потока в данном примере является постоянным значением. Кроме того, для кондиционеров может быть задана кривая вентилятора, то есть зависимость потока, создаваемого вентиляторами, от давления на выходе.

   

   Далее выбирается тепловая модель кондиционера. Существует несколько моделей тепловых устройств, в данном примере используется Air Conditioner – кондиционер воздуха. Он обладает одним параметром – температура воздуха на выходе из кондиционера.

   

   Не забудьте задать поверхности, через которые воздух попадает в кондиционер и выходит из него.

   

   После назначения всех материалов моделей и их свойств назначаются граничные условия. Это делается на вкладке Setup в разделе Boundary Condition. В качестве граничных условий указываются параметры тепловыделения серверных стоек. Выберите все стойки, затем в настройках параметров выберите тип граничных условий Total Heat Generation, укажите единицы измерения и значение условия.

   

   Следующий шаг – определение параметров сетки. Сетки назначаются в разделе Mesh Sizing. В примере параметры сетки определяются вручную, но Autodesk CFD может сделать это автоматически. Элементы, в которых ожидаются наиболее высокие температуры и неравномерность потока, имеют меньшие размеры сеток. В других элементах возможно понизить плотность сетки, тем самым сократив вычислительные ресурсы и время расчёта модели.

   

   
   

   После назначения сетки задаются параметры вычислений (решателя). Кликните на панели инструментов кнопку Solve, которая вызовет окно для настройки.  На вкладке Physics поставьте маркер в поле Heat transfer и укажите направление вектора ускорения свободного падения – в примере он направлен против оси Z. Вернитесь обратно на вкладку Control, чтобы указать количество итераций для решения. Решение ищется итеративным путём и предполагается, что оно будет найдено за сто итераций, как в примере. Далее запускается процесс вычисления кнопкой Solve.

   

Результаты расчётов

После завершения вычислительного процесса программа сама переключится в режим работы Results, в котором представлен набор инструментов для анализа полученных результатов.

На вкладке Global показывается распределение температур. Объемы воздуха можно скрыть и обратить внимание на то, как распределяется температура на серверах.  

Инструмент Planes позволяет анализировать характеристики потока. Он создаёт секущую плоскость, которая рассекает расчётную область и позволяет увидеть, как распределяются характеристики по сечению.

Пользователь может выбрать конкретную характеристику, которую нужно вывести на экран, например, векторное направление потоков воздуха. Это можно сделать в правой верхней области панели инструментов, выбрав из списков интересующие параметры.

Создание изоповерхностей

Изоповерхность – это поверхность одного уровня, на которой выбранный параметр принимает одно и то же значение. Изоповерхность можно создать одноимённым инструментом Iso Surface, кликнув в правой верхней области кнопку Add и выбрав определённые параметры.

При анализе результатов существует возможность рассчитать усреднённые характеристики потоков для отдельных деталей инструментом Parts. Выберите интересующие детали и в окне инструмента кликните Calculate – программа произведёт расчёт и выведет данные в окне Output.

Важным результатом расчёта является энергетический параметр работы кондиционеров. Доступ к параметру пользователь может получить на вкладке Review, кликнув на раздел Summary File. В появившемся окне Summary содержатся общие сведения о результатах расчёта, в разделе Data for heat exchanger devices пользователь может найти характеристики кондиционеров.

В этой статье на примере расчёта тепловых режимов работы серверных помещений были рассмотрены основные возможности и принцип работы Autodesk CFD. Попробуйте произвести подобный расчёт на основе других моделей.