Это старая версия документа!
Содержание
Основы вычислительной гидродинамики (CFD)
CFD — численный анализ движения жидкостей и газов в ограниченной области. Метод позволяет рассчитывать распределение потоков, давления, температуры и теплообмена в помещениях ЦОД.
Принципы CFD
CFD применим к жидкостям, газам, двухфазным и многокомпонентным средам. В ЦОД используется преимущественно для моделирования воздушных потоков и тепловых процессов.
Базовые уравнения
* Уравнение сохранения массы (непрерывности). * Уравнения импульса (Навье–Стокса). * Уравнение энергии (теплоперенос). Решение аналитически невозможно, применяются численные методы.
Поле данных
Переменные в каждой ячейке: * давление \(P\); * скорости \(u, v, w\); * температура \(T\); * дополнительные свойства (энтальпия, концентрации, примеси).
Численные методы
Метод конечных объёмов (FVM)
Основной метод для моделирования ЦОД: баланс потоков через грани ячеек, высокая устойчивость, приемлемые требования к ресурсам.
* Дискретизация пространства на контрольные объёмы. * Интегрирование уравнений по объёму. * Флюксы через грани определяют перенос массы, импульса и энергии.
Метод конечных элементов (FEM)
* Более точный, но дорогой вычислительно. * Используется редко в задачах охлаждения ЦОД.
Быстрые методы
* FFD (Fast Fluid Dynamics) — проекционный метод, хорошо работает на GPU. * LBM (Lattice Boltzmann Method) — решает упрощённые уравнения Больцмана, обеспечивает высокую параллелизацию.
Построение модели
Область расчёта (Solution Domain)
Содержит: * геометрию помещения; * шкафы, оборудование, кабельные лотки; * CRAC/CRAH, жалюзийные решётки, фальшпол; * источники тепла и массы.
Источники и стоки
* теплоотдача ИТ-оборудования; * притоки/удаления воздуха; * импульсные источники (вентиляторы); * влажность, загрязнения.
Граничные условия
Типы: * фиксированная скорость/импульс; * расход или давление; * тепловые условия: fixed T, adiabatic, heat flux; * конъюгированный теплообмен. Для подъёмной силы применяется приближение Буссинеска.
Сетки (Grid/Mesh)
Структурированная сетка
* прямоугольные ячейки; * удобна для помещений ЦОД.
Недостатки: высокие отношения сторон, «ступеньки» на сложных поверхностях.
Неструктурированная сетка
* тетраэдры, призмы, полиэдры; * высокая гибкость.
Недостаток: повышенные требования к памяти и времени расчёта.
Требования к сетке
* сгущение возле стоек и CRAC; * детализация в зонах рециркуляции; * проверка независимости от размера ячеек (mesh refinement study).
Решение задачи
Итеративный процесс
* первичное предположение («guess»); * вычисление флюксов; * корректировка переменных; * повтор до сходимости.
Сходимость не равна физической точности — требуется проверка модели и граничных условий.
Итерации
* внутренние — изменения внутри одного шага решения; * внешние — обновление всех переменных.
Стабилизация
* линейная релаксация; * фиктивный шаг по времени.
Готовность решения
Решение считается приемлемым, если: * остаточные ошибки ниже порога; * контрольные точки стабилизировались; * исследование сетки подтверждает независимость результатов.
Визуализация и результаты
Типовые выходные поля
* скорости; * температуры; * давление; * тепловые и массовые потоки.
Result Planes
* температурные карты; * векторные поля скоростей; * распределения давления.
Streamlines
Наиболее наглядный способ анализа потоков — линии тока отображают траекторию движения воздуха.
Surface Plots
* распределение температуры на объектах; * изоповерхности скоростей, загрязнений, температур.
Derived Data
* расход воздуха через решётки; * средняя температура на входе стойки; * оценка рециркуляции и тепловых потерь.
Ключевые идеи
- CFD описывает движение воздуха через решение уравнений сохранения.
- FVM — ключевой метод моделирования в проектах ЦОД.
- Геометрия, сетка и граничные условия определяют качество решения.
- Низкие «остатки ошибок» не гарантируют корректности — обязательна физическая проверка.
- Основные визуализации: линии тока, температурные поля, векторные карты скоростей.
- CFD помогает оптимизировать охлаждение и снижать риск рециркуляции.
- Модель должна верифицироваться измерениями реального ЦОД.