Livro branco: Utilizar CFD para centros de dados
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Virtualização: um aumento acentuado da densidade térmica
Reforçar as infra-estruturas digitais: virtualização e IA
A procura global de infra-estruturas digitais está a crescer exponencialmente, impulsionada pelo aumento da nuvem, da IA, da IoT e das aplicações com utilização intensiva de dados. Neste contexto, os centros de dados desempenham um papel essencial: albergam os servidores, o equipamento de armazenamento e as redes necessárias para processar e distribuir a informação.
Ao mesmo tempo, a carga térmica dos centros de dados aumentou acentuadamente. A miniaturização do equipamento, a virtualização maciça dos servidores e a proliferação de aplicações de IA estão a gerar muito mais calor por unidade do que anteriormente. Enquanto uma capacidade de arrefecimento de 5 kW por bastidor era suficiente, muitos servidores excedem agora os 10 kW por bastidor e algumas instalações atingem os 45 kW.
Neste contexto de intensificação do calor, o controlo dos fluxos de ar e do arrefecimento torna-se crítico e surge uma questão central:
"O sistema de ar condicionado é capaz de suportar 100% da carga térmica, mesmo em condições degradadas?"
Consequências económicas e materiais
Os desafios térmicos nos centros de dados podem ter consequências significativas e multidimensionais. Uma má gestão do calor pode levar a um aumento significativo dos custos operacionais, associados ao consumo de energia e à manutenção corretiva.
Pode também reduzir a vida útil do equipamento informático, uma vez que os componentes electrónicos são sensíveis a variações de temperatura e a sobreaquecimentos repetidos. Isto aumenta o risco de falhas súbitas de hardware ou de interrupções de serviço, que podem afetar a continuidade do negócio e gerar custos elevados para as operações.
Por último, estes problemas térmicos podem limitar a capacidade de aumentar as cargas de trabalho de TI, bloqueando os projectos de expansão e o aumento das infra-estruturas.
Os métodos convencionais de cálculo térmico, baseados em fórmulas simplificadas ou tabelas Excel, não são suficientes para antecipar o comportamento dos sistemas em condições críticas, como falhas de ar condicionado, cortes de energia ou manutenção de bastidores, tornando estes riscos ainda mais difíceis de controlar.
Para responder a estes desafios, a simulação digital CFD (Computational Fluid Dynamics) é uma ferramenta estratégica. Permite modelar com precisão os fluxos de ar, a pressão, a distribuição térmica e as configurações de arrefecimento, antecipandoos cenários mais críticos. Graças a esta abordagem, é possível conceber e operar centros de dados mais fiáveis e optimizados, evitando qualquer risco de sobreaquecimento ou mau funcionamento.
Desafios térmicos nos centros de dados
Controlar a temperatura num centro de dados é um exercício complexo que resulta de múltiplas interações: arquitetura do edifício, densidade de carga de TI, dinâmica do fluxo de ar, tecnologias de arrefecimento e alterações operacionais.
Densificação das cargas de trabalho de TI
Os servidores modernos, em especial os concebidos para aplicações de computação intensiva, como ainteligência artificial (IA) ou a computação de alto desempenho (HPC), podem dissipar várias dezenas de quilowatts por bastidor. Esta elevada densidade de equipamento gera uma carga térmica significativa nos centros de dados, exigindo sistemas de refrigeração de elevado desempenho com uma margem de erro consideravelmente reduzida. À medida que a potência aumenta, aumentam também os riscos de pontos quentes e de recirculação de ar quente .
A densificação dos servidores exige, portanto, não só um dimensionamento preciso das instalações de refrigeração, mas também uma gestão ativa dos fluxos de ar e um controlo térmico rigoroso para garantir um ambiente estável e seguro para o equipamento.
Formação de pontos quentes
Os pontos quentes são áreas em que a temperatura excede os limites recomendados pelas normas ASHRAE e podem ocorrer devido a uma má distribuição do fluxo de ar,obstáculos físicos, posicionamento de bastidores, unidades de arrefecimento mal calibradas, variações de carga ou modificações de disposição, como a adição de servidores ou bastidores adicionais.
Mesmo em centros com baixas cargas térmicas, estes desequilíbrios térmicos têm um impacto direto na fiabilidade e no tempo de vida útil do equipamento. Os componentes electrónicos, em particular os processadores e a memória, são sensíveis às variações de temperatura e podem sofrer uma redução do desempenho e da longevidade. Além disso, as temperaturas localmente elevadas aumentam o risco de uma falha súbita do hardware, o que pode levar a um dispendioso tempo de inatividade.
Muitas vezes invisíveis sem ferramentas especializadas, estes pontos quentes requerem intervenções que são difíceis de prever. A simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) é uma ferramenta fundamental para detetar, antecipar e prevenir estas áreas críticas, optimizando a circulação do ar e a gestão térmica nos centros de dados.
Simulação CFD - Pontos quentes nos corredores
Recirculação de ar quente
A recirculação de ar num centro de dados é o fenómeno em queo ar quente exaurido pelos servidores regressa ao corredor frio antes de ter sido devidamente arrefecido. Este fenómeno perturba o fluxo de calor esperado e pode ter um impacto significativo no funcionamento e na eficiência do sistema de refrigeração .
Quando o ar quente se mistura com o ar frio do corredor frio, a temperatura à entrada dos bastidores aumenta. Os servidores recebem então ar que já foi aquecido, o quereduz a eficiência do arrefecimento e pode causar variações térmicas significativas. Esta falta de arrefecimento também aumenta o risco de pontos quentes, o que pode comprometer a fiabilidade e a vida útil do equipamento.
A recirculação também leva ao consumo excessivo de unidades de ar condicionado. Os sistemas têm de fornecer mais ar frio para compensar o fluxo misto, o que aumenta o consumo de energia e reduz a eficiência global do centro de dados.
Há várias causas possíveis para este fenómeno. Corredores mal vedados, por exemplo, a ausência de escovas ou de painéis de obturação nos compartimentos, permitem a fuga de ar quente para o corredor frio. Um confinamento mal concebido, como corredores frios ou quentes abertos ou parcialmente divididos, também favorece o retorno do ar quente. Por último, um fluxo de ar insuficiente, que não permite que o ar quente seja expelido de forma eficiente, contribui para o aumento da recirculação.
Simulação CFD - Recirculação de ar quente em sistemas
Perante a incerteza ou o risco de pontos quentes, muitos operadores optam por arrefecer demasiado a divisão. Como resultado, as unidades HVAC funcionam a uma potência superior à realmente necessária, aumentando a PUE (Power Usage Effectiveness) e os custos de energia, por vezes significativamente. O desafio é arrefecer exatamente o que é necessário, onde é necessário, sem desperdício. Assim, uma gestão rigorosa da arquitetura dos corredores, combinada com o dimensionamento adequado dos fluxos de ar, é essencial para limitar a recirculação e manter as condições de refrigeração ideais num centro de dados.
Controlo da temperatura e da humidade
A temperatura e a humidade são factores essenciais para garantir o funcionamento fiável e a longo prazo de um centro de dados. Uma temperatura demasiado elevada acelera o desgaste dos componentes electrónicos, reduz a eficiência dos sistemas de armazenamento e aumenta o risco de avarias. Por outro lado, demasiada humidade pode causar condensação nos circuitos, levando a curto-circuitos e perda de dados. Por outro lado, uma humidade demasiado baixa favorece a eletricidade estática, que podedanificar componentes sensíveis.
O controlo da humidade é, portanto, um fator-chave na proteção das infra-estruturas digitais. Tem um impacto direto na segurança dos equipamentos, na durabilidade dos servidores e na estabilidade dos sistemas críticos de armazenamento de dados. Em ambientes com uma elevada densidade de computação, como os centros que albergam servidores para inteligência artificial ou computação de alto desempenho, a gestão precisa da temperatura e da humidade torna-se ainda mais crítica. O mais pequeno desequilíbrio pode aumentar o risco de sobreaquecimento, recirculação de ar quente ou falha de hardware, afectando a continuidade do serviço e o consumo de energia.
A afinação destes parâmetros não só ajuda a prevenir incidentes, como também a otimizar a eficiência energética do centro, evitando um arrefecimento excessivo ou mal direcionado, que consumiria energia desnecessária sem qualquer benefício real em termos de proteção do equipamento.
Acender fogos
Os centros de dados apresentam riscos específicos de incêndio relacionados com a elevada concentração de equipamentos eléctricos e electrónicos e com o fornecimento de energia eléctrica de alta potência. Uma falha de hardware, um curto-circuito, um sobreaquecimento local ou uma falha na alimentação eléctrica podem conduzir rapidamente a um incêndio. Embora os materiais utilizados cumpram geralmente as normas de segurança, a combustão dos componentes electrónicos gera fumos densos, tóxicos e corrosivos, que representam um grande perigo para as pessoas e os equipamentos.
Para além do risco de propagação do incêndio, a rápida acumulação de fumo quente pode prejudicar gravemente a visibilidade nas instalações, complicar a resposta das equipas de emergência e conduzir a um rápido aumento da temperatura ambiente. Num ambiente confinado como um centro de dados, estes fenómenos podem ocorrer numa questão de minutos, tornando o controlo dos fluxos de ar e o dimensionamento dos sistemas de extração de fumo particularmente críticos.
Neste contexto, a simulação numérica utilizando CFD é uma ferramenta essencial para analisar e antecipar o comportamento de um edifício numa situação de incêndio. Pode ser utilizada para modelar a propagação do fumo, as alterações de temperatura e a influência dos fluxos aeróbios gerados pela ventilação ou pela extração de fumo. Em particular, o CFD pode ser utilizado paraavaliar a eficácia dos sistemas de extração de fumo,identificar as zonas de estagnação do fumo e verificar se as vias de evacuação permanecem transitáveis.
O principal objetivo destas simulações é garantir condições de intervenção aceitáveis para os serviços de emergência, assegurando visibilidade suficiente e temperaturas compatíveis com a sua intervenção. O CFD é utilizado para verificar se a extração de fumos é activada de forma a limitar eficazmente a acumulação de fumos, facilitar a sua evacuação para o exterior e manter condições térmicas controladas durante toda a operação. Estas análises permitem reforçar a segurança, limitar os danos materiais e validar a conformidade das instalações com as exigências de segurança contra incêndios.
Simulação CFD: uma ferramenta indispensável
O que é a simulação CFD?
A Fluidodinâmica Computacional(CFD) é um método de simulação digital para modelar o comportamento dos fluidos e os fenómenos térmicos associados. Utilizando um software especializado, o engenheiro constrói um modelo tridimensional do objeto em estudo, define as condições de fronteira, escolhe os modelos físicos relevantes (convecção, condução, radiação, transferência de calor, dinâmica de escoamento, etc.) e seleciona um método de cálculo.
Segue-se uma fase de iterações: com base nos resultados obtidos, o modelo é ajustado para melhor representar os fenómenos físicos reais. O objetivo da modelização CFD é compreender, analisar e otimizar o comportamento térmico e fluídico de um sistema, a fim de fornecer uma solução fiável para os problemas de conceção ou de funcionamento identificados.
Os resultados das simulações constituem uma ferramenta de decisão: podem ser utilizados para melhorar a conceção inicial de uma instalação, identificar estrangulamentos eotimizar o desempenho operacional.
Uma ferramenta de compreensão e visualização
A gestão térmica é crucial nos centros de dados. Um rápido aumento da temperatura devido a uma falha de arrefecimento pode levar a falhas simultâneas do equipamento, ameaçando a continuidade do serviço. Ao contrário das medições pontuais tradicionais, o CFD oferece uma visão global e preditiva, permitindo que os problemassejam antecipados antes de ocorrerem.
- Visualiza o invisível
A CFD torna visíveis e quantificáveis os fenómenos aeroeléctricos e térmicosque não podem ser observados diretamente a olho nu. Em particular, destaca as trajectórias do fluxo de ar, as zonas de recirculação de ar quente, os gradientes de temperatura, as zonas de sobreaquecimento localizadas e os efeitos da turbulência e das variações de pressão. Esta capacidade de visualização tridimensional é uma ferramenta particularmente relevante no contexto dos centros de dados, onde os fluxos são altamente complexos e a criação de protótipos físicos em grande escala é irrealista, ou mesmo impossível. A CFD permite, assim, compreender em pormenor o comportamento térmico das instalações, possibilitando a antecipaçãode anomalias antes de quaisquer modificações ou implementação no local.
- Uma ferramenta de previsão e de otimização
A CFD fornece aos engenheiros uma ferramenta de tomada de decisões que lhes permiteavaliar e comparar virtualmentediferentes configurações antes de as implementar no local. Em particular, podemantecipar o impacto da adição ou do aumento das cargas informáticas, analisar a eficácia das estratégias de contenção dos corredores quentes e frios e prever o comportamento aeroeléctrico e térmico do sistema em situações degradadas, como a falha de uma unidade de arrefecimento. Esta abordagem garante a validação de soluções técnicas sem interromper o serviço, limitando os riscos operacionais e evitando os custos adicionais associados a escolhas de conceção inadequadas ou a correcções a posteriori.
- Redução de custos e desempenho energético
A simulação CFD é uma alavanca importante para a otimização técnica e económica dos centros de dados. Permite direcionar com precisão os requisitos reais de arrefecimento e evitar o sobredimensionamento do equipamento, reduzindo assim o investimento desnecessário em infra-estruturas adicionais. Ao otimizar a distribuição dos fluxos de ar e a eficiência dos sistemas de arrefecimento, contribui também para uma redução significativa do consumo de energia das instalações de AVAC, limitando simultaneamente o sobrearrefecimento. Em muitos casos, esta afinação permiteaumentar a capacidade de TI sem a necessidade de novas infra-estruturas importantes.
Aplicações típicas de CFD em centros de dados
O CFD pode ser utilizado para simular uma vasta gama de cenários críticos:
- Distribuição do ar nos corredores frios e quentes,
- Pressão sob o pavimento elevado,
- Temperatura em torno dos sistemas,
- Desempenho das unidades CRAC/CRAH,
- Contenção eficaz,
- Impacto de uma falha da unidade de refrigeração
- Consequência de uma variação de carga
- Comparação de diferentes configurações de arrefecimento
Estas análises podem ser utilizadas para tomar decisões informadas sobre a conceção e o funcionamento dos centros de dados, oferecendo um nível de precisão inatingível apenas pelas sondas térmicas ou pela experiência empírica.
Software CFD para centros de dados
O mercado oferece uma variedade de softwares capazes de simular escoamentos e fenómenos termodinâmicos: ANSYS, Autodesk CFD, XFlow, OpenFOAM, Phoenics, FlowVision, STAR-CD, TileFlow, Sigma6Room, Gas Dynamics Tool, etc.
Algumas ferramentas, como o TileFlow ou o Sigma6, incorporam bibliotecas específicas para centros de dados (ventiladores, unidades de ar condicionado, azulejos perfurados, equipamento informático), simplificando a modelação para engenheiros menos experientes. No entanto, a qualidade das análises depende em grande medida daexperiência do especialista em CFD, que é capaz de ajustar corretamente os modelos e interpretar os resultados com rigor.
Processo de realização de um estudo CFD
Recolha de dados
A recolha de dados é a fase inicial e decisiva de qualquer estudo CFD, uma vez que condiciona diretamente a fiabilidade e a relevância das futuras simulações numéricas.
Esta fase baseia-se principalmente naanálise de informações técnicas, tais como plantas, caraterísticas dos equipamentos, diagramas de fluxo de ar, potência dissipada e dados nominais de funcionamento. Estas informações são utilizadas para caraterizar as velocidades do ar, os níveis de pressão, os campos de temperatura e os caudais, bem como para identificar os obstáculos, as vias preferenciais de escoamento e as potenciais zonas de fuga.
Esta fase de análise é essencial para estabelecer uma base de modelização coerente, definir corretamente os pressupostos e parametrizar as condições de fronteira, destacando ao mesmo tempo os primeiros pontos críticos susceptíveis de ter um impacto no desempenho térmico e aerodinâmico do sistema.
Criar o modelo 3D
A criação de um modelo tridimensional é uma etapa fundamental do estudo CFD, uma vez que permite representar fielmente o centro de dados sob a forma de um gémeo digital que pode ser utilizado para os cálculos. Este modelo 3D é criado utilizando ferramentas de desenho assistido por computador (CAD) e incorpora todos os elementos geométricos que têm influência no fluxo de ar e na transferência de calor.
A dimensão e o volume da sala são definidos com precisão, assim como a disposição das estantes de computadores e dos armários de telecomunicações, de modo a reproduzir as vias reais de circulação do ar. O pavimento técnico é modelado, tendo em conta a sua altura e a posição e taxa de perfuração das lajes, que determinam a forma como o ar frio é injetado. O equipamento de ar condicionado é integrado com as suas caraterísticas funcionais, incluindo os caudais, as velocidades e as direcções dos fluxos de ar, bem como o tipo de ventiladores e a orientação do ar fornecido. São igualmente tidos em conta os obstáculos susceptíveis de perturbar o fluxo, como os caminhos de cabos ou as estruturas auxiliares.
Esta modelação pormenorizadaevita os pressupostos simplificadores ou o sobredimensionamento normalmente utilizados na ausência de CFD e fornece uma base realista para prever com precisão as condições térmicas e aeróbicas do centro de dados, reduzindo o risco de uma conceção sub-óptima.
Condições de fronteira
As condições de fronteira em Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) são um elemento fundamental da modelação, uma vez que traduzem matematicamente a interação entre o domínio computacional e o seu ambiente físico. Definem, nos limites do domínio da malha, os valores impostos ou as relações funcionais de grandezas conservadas, como a velocidade, a pressão, a temperatura ou o fluxo de calor.
Dependendo da natureza física do problema, são aplicados diferentes tipos de condições de fronteira: condições do tipo Dirichlet que impõem um valor fixo (por exemplo, velocidade ou temperatura), condições do tipo Neumann que impõem um gradiente ou escoamento, ou condições mistas que combinam os dois. As entradas e saídas de escoamento são geralmente caracterizadas por perfis de velocidade, caudal mássico ou pressão, enquanto as paredes sólidas podem ser modeladas como aderentes (condição de não deslizamento), isotérmicas ou adiabáticas. Os modelos de turbulência também requerem condições específicas para as quantidades turbulentas, consistentes com o regime de escoamento esperado.
A escolha e a aplicação rigorosa destas condições são essenciais para garantir a estabilidade numérica, a convergência da solução e a representatividade física dos resultados, uma vez que qualquer inconsistência pode conduzir a erros significativos ou a soluções não físicas.
Malha
A simulação matemática do fluxo de ar e dos processos de transferência de calor envolve a resolução numérica de um conjunto de equações diferenciais parciais não lineares de segunda ordem.
Uma vez que o modelo numérico do espaço é constituído por um número infinito de pontos, é impossível resolver as equações diferenciais parciais, mesmo numericamente. Assim, a estrutura é decomposta num número finito de pontos, o que resulta numa decomposição da geometria em formas simples. Todos estes nós e elementos constituem a malha do modelo.
O software efectua uma interrogação topológica completa da geometria de análise e determina o tamanho e a distribuição da malha em cada aresta, superfície e no volume do modelo. A curvatura geométrica, os gradientes e a proximidade da geometria vizinha são tidos em conta na atribuição de tamanhos de elementos e na distribuição da malha. A malha é depois sistematicamente afinada pelos engenheiros responsáveis pelos estudos nas zonas de estudo específicas com gradientes elevados.
A malha é gerada automaticamente em função da geometria do modelo e das condições de fronteira utilizando algoritmos(método de advecção tipo Petrov-Garlerkin 5) que definem a solução de convergência óptima.
A malha produzida é de tipo híbrido. Os elementos deste tipo de malha são gerados sem qualquer restrição na sua disposição, o que permite gerar geometrias complexas mantendo uma boa qualidade dos elementos. A malha gerada combina uma mistura de elementos de diferentes tipos, tetraédricos, prismáticos ou piramidais em 3D. Combina as vantagens das malhas estruturadas e não estruturadas.
Em cada um destes volumes, as equações de conservação são expressas sob a forma de equações algébricas. Este conjunto de volumes finitos é conhecido como a malha.
Análise e otimização
A análise e otimização dos resultados é a fase final do estudo CFD, permitindo que os dados numéricos sejam transformados em alavancas concretas para melhorar o sistema.
Os resultados dos cálculos podem ser utilizados numa variedade de visualizações, tais como mapas de calor, campos de velocidade, secções transversais verticais ou horizontais e animações que representam as trajectórias e interações do fluxo de ar. Estas representações facilitam a identificação de áreas críticas, tais como pontos quentes, recirculação indesejável, desequilíbrios de caudal ou perdas na eficiência da ventilação.
Com base nestas análises, podem ser propostas acções corretivas, tais como a reorganização do equipamento, o ajuste das taxas e direcções do fluxo de ar, a modificação da disposição dos azulejos perfurados ou a otimização do posicionamento dos sistemas de ar condicionado. Os cenários de simulação podem ser iterados de modo a comparar diferentes configurações e convergir para uma solução que ofereça um funcionamento térmico e aeráulico ótimo e fiável que satisfaça os requisitos operacionais do centro de dados.
Resumo
O software de simulação CFD permite representar com precisão o fluxo de fluidos, líquidos ou gasosos, e todos os fenómenos físicos associados, nomeadamente a transferência de calor. Baseadas na modelação termodinâmica, estas ferramentas permitemuma análise aprofundada do fluxo de ar e do comportamento térmico, possibilitando a conceção de sistemas de elevado desempenho e oaperfeiçoamento das instalações existentes, nomeadamente em ambientes complexos como os centros de dados.
Sem a utilização da CFD, a avaliação fiável da distribuição das temperaturas e dos fluxos de ar numa sala de computadores continuaria a ser muito aproximada. Estas grandezas resultam dainteração de numerosos parâmetros, tais como a carga térmica dissipada pelo equipamento informático, a disposição e o desempenho das unidades de ar condicionado, as temperaturas dos fluidos de transferência de calor, a altura e a configuração do piso técnico, a disposição das grelhas de alimentação e de retorno e o tipo e as caraterísticas dos ventiladores.
Ao integrar simultaneamente todos estes factores, a simulação CFD tornou-se uma ferramenta essencial para compreender, antecipar e controlar o comportamento térmico e aeroeléctrico de um centro de dados, ao mesmo tempo que assegura as escolhas de design e melhora a eficiência energética global.
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Criada originalmente em França, a EOLIOS Ingénierie é a consultora de referência em simulação térmica e aeroeléctrica para centros de dados na Europa e no mundo. A empresa acompanha operadores, projectistas e proprietários de projectos em todas as fases da vida de um centro de dados: conceção, otimização, renovação ou ampliação.
Combinando conhecimentos científicos de ponta, ferramentas de simulação de última geração e um conhecimento profundo do ecossistema dos centros de dados, a EOLIOS Ingénierie é um parceiro de confiança para garantir a disponibilidade, a segurança e o desempenho energético das infra-estruturas de TI, antecipando simultaneamente as questões de sustentabilidade.
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