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.

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.

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.

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 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.

Корректность определяется двумя факторами:

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.

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.

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.