topics:30:basics []

Эта страница только для чтения. Вы можете посмотреть её исходный текст, но не можете его изменить. Сообщите администратору, если считаете, что это неправильно.
====== Основы вычислительной гидродинамики (CFD) ======

<WRAP box round>
CFD — метод численного моделирования движения воздуха в трёхмерном пространстве, основанный на решении уравнений сохранения массы, импульса и энергии. В ЦОД он используется для анализа схем охлаждения, распределения потоков, поиска рециркуляций и оценки эффективности инженерных решений.
</WRAP>

===== Физическая модель =====

CFD рассматривает воздух как непрерывную среду, движение которой описывается уравнениями Навье–Стокса. Эти уравнения взаимосвязаны, нелинейны и при реальных условиях машинного зала (турбулентность, источники тепла, сложная геометрия) не имеют аналитического решения. Поэтому расчёт ведётся численно — в дискретизированной области, состоящей из большого числа ячеек.

Каждая ячейка хранит набор параметров: скорость потока, давление, температуру и турбулентные характеристики. Взаимодействие ячеек определяется потоками массы, импульса и тепла через их грани. Именно они формируют «динамику» решаемой системы.

===== Постановка задачи =====

Расчётная область представляет собой объём помещения, включающий фальшпол, стойки, оборудование, вентиляционные элементы, решётки, барьеры и все препятствия, влияющие на движение воздуха. Внутри области задаются источники тепла (нагрузка ИТ-оборудования), объёмные и скоростные источники воздуха (вентиляторы, CRAC/CRAH) и тепловые граничные условия на поверхностях.

Граничные условия определяют характер обмена воздуха и тепла между расчётной областью и окружающей средой. Это могут быть фиксированные скорости или давления, тепловые потоки, адиабатические поверхности, сопротивления решёток или параметры конъюгированного теплообмена между воздухом и конструкциями оборудования.

В моделях, где важна естественная конвекция, применяется приближение Буссинеска — оно позволяет учитывать изменение плотности воздуха от температуры без необходимости моделировать полноценно сжимаемый поток.

===== Расчётная сетка =====

Сетка определяет распределение ячеек, в которых решаются уравнения. В ЦОД чаще всего используется структурированная сетка из прямоугольных ячеек: она проста, даёт предсказуемое численное поведение и удобна для больших помещений.

При сложной геометрии (стойки с несимметричными формами, сложный подпольный объём, насыщенные кабельные зоны) применяется неструктурированная сетка — тетраэдральная или полиэдральная. Она гибко повторяет поверхность объектов, но требует больше памяти и времени.

Качественная сетка должна иметь сгущение в зонах интенсивной динамики: перед стойками, у перфорированных панелей, в рециркуляционных петлях, а также на выходах CRAC/CRAH. Правильность сетки проверяется исследованием независимости решения от размера ячеек.

===== Численные методы =====

Для моделирования в ЦОД практически всегда используется метод конечных объёмов. Он интегрирует уравнения сохранения по объёму каждой ячейки, что автоматически обеспечивает баланс потоков между соседними ячейками — ключевое свойство для точности расчёта воздушного потока.

Давление хранится в центрах ячеек, а скорости — на гранях; это снижает численные ошибки и обеспечивает устойчивость решения. Альтернативные методы — конечных элементов или решётки Больцмана — применяются реже: первый из-за высокой стоимости, второй — в специализированных задачах с GPU.

===== Решение уравнений =====

Решение строится итерационно. На первом шаге поле переменных задаётся приблизительно, затем для каждой ячейки вычисляются потоки и корректировки давления, после чего значения обновляются. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут выполнены критерии сходимости.

Чтобы избежать колебаний и ускорить стабилизацию, решатель использует два механизма: фиктивный шаг по времени (добавляет «плавности» переходам между итерациями) и релаксацию (снижает величину корректировок). Невязки — остаточные ошибки в уравнениях — служат индикатором того, насколько близко текущее решение к выполнению законов сохранения.

Однако малые невязки не гарантируют физической правильности: модель может быть математически стабильной, но некорректной из-за ошибок в геометрии, сетке или граничных условиях.

===== Проверка корректности решения =====

Корректность определяется двумя факторами:

<WRAP info>
  - устойчивость решения — низкие остаточные ошибки, отсутствие осцилляций;  
  - физическая состоятельность — правильные направления потоков, адекватные температуры, отсутствие нефизичных рециркуляций.
</WRAP>

Важным этапом является исследование чувствительности к сетке: если при уменьшении размера ячеек структура потока не меняется, решение считается достаточно точным. При наличии измерений в реальном ЦОД сравнивают расчётные и фактические температуры/расходы.

===== Интерпретация результатов =====

Результаты CFD дают трёхмерные поля температуры, скорости и давления. Из этих данных формируются:

  * плоскости результатов — горизонтальные и вертикальные срезы;  
  * карты температур и скоростей;  
  * траектории движения воздуха (линии тока);  
  * поверхностные графики температуры и тепловых потоков на оборудовании;  
  * тепловые балансы и суммарные расходы воздуха.

<WRAP info>
Линии тока позволяют визуализировать путь холодного воздуха от источника до входов серверов, выявлять короткие замыкания потоков, обратные движения и застойные зоны.
</WRAP>

Поверхностные графики используются для проверки нагрева корпусов оборудования, распределения температуры по стойкам, теплового воздействия на окружающие конструкции.

Агрегированные данные — например, расход воздуха через решётку или средняя температура на входе стойки — позволяют количественно оценить качество охлаждения.

===== Ключевые идеи =====
<WRAP tip>
  * CFD описывает движение воздуха через решение уравнений сохранения массы, импульса и энергии.  
  * Метод конечных объёмов обеспечивает корректный баланс потоков и высокую устойчивость.  
  * Модель определяется тремя компонентами: геометрией, сеткой и граничными условиями.  
  * Сходимость не гарантирует корректности — необходима физическая проверка и сравнение с измерениями.  
  * Основные инструменты анализа: линии тока, температурные и скоростные поля, поверхностные распределения.  
  * CFD применяется для оптимизации воздушных маршрутов, устранения рециркуляций и повышения энергоэффективности охлаждения.  
</WRAP>