Symulacja sprzężenia zwrotnego w SOLIDWORKS Flow Simulation na podstawie wentylacji w serwerowni

Wstęp

Współczesne systemy chłodzenia serwerowni coraz częściej wymagają analizy nie tylko ustalonego pola przepływu i temperatury, ale również dynamicznych zależności pomiędzy warunkami brzegowymi a odpowiedzią układu. W praktyce oznacza to konieczność uwzględnienia sprzężenia zwrotnego, w którym parametry wejściowe – takie jak temperatura powietrza na wlocie – nie są stałe, lecz zależą od aktualnego stanu termicznego analizowanego obszaru.

W niniejszym artykule przedstawiono metodykę implementacji takiego podejścia w środowisku SOLIDWORKS Flow Simulation, na przykładzie uproszczonego modelu serwerowni. Rozważany przypadek obejmuje przepływ powietrza przez pomieszczenie zawierające szafy generujące ciepło, gdzie początkowa temperatura powietrza wynosi 20 °C. W miarę pracy urządzeń następuje wzrost temperatury, co w rzeczywistych systemach prowadzi do reakcji układów HVAC – np. obniżenia temperatury powietrza nawiewanego.

Kluczowym elementem analizowanego scenariusza jest zdefiniowanie warunków logicznych sterujących temperaturą na wlocie. Przyjęto, że jeżeli temperatura powietrza na wylocie przekroczy 29 °C lub średnia temperatura w całej objętości serwerowni osiągnie wartość powyżej 24,5 °C, to temperatura powietrza nawiewanego zostaje obniżona z 20 °C do 16 °C. Oznacza to bezpośrednie powiązanie warunków brzegowych z wynikami symulacji, co stanowi klasyczny przykład sprzężenia zwrotnego.

Celem artykułu jest przedstawienie krok po kroku, w jaki sposób zaimplementować tego typu zależność w SOLIDWORKS Flow Simulation – począwszy od przygotowania modelu geometrycznego i definicji źródeł ciepła, poprzez konfigurację celów obliczeniowych (goals), aż po wykorzystanie parametrów logicznych i narzędzi sterujących warunkami brzegowymi. Szczególny nacisk położono na aspekty praktyczne, które pozwalają przełożyć koncepcję sprzężenia zwrotnego na stabilną i powtarzalną procedurę obliczeniową.

Ustawienia symulacji

Analizowany przypadek został zdefiniowany jako nieustalona (transient) symulacja przepływu powietrza. W obliczeniach aktywowano przewodzenie ciepła w ciałach stałych, co umożliwia odwzorowanie transportu energii w obrębie konstrukcji szaf serwerowych oraz przegród pomieszczenia. Dodatkowo uwzględniono działanie siły grawitacji, co ma istotne znaczenie w kontekście unoszenia się ogrzanego powietrza i powstawania naturalnej konwekcji, nakładającej się na wymuszoną wentylację.

Czynnikiem roboczym jest powietrze, dla którego przyjęto początkową temperaturę równą 20 °C w całej objętości obliczeniowej. Zróżnicowane warunki początkowe zdefiniowano natomiast dla elementów generujących ciepło, tj. szaf serwerowych. Układ składa się z pięciu rzędów, z których każdy zawiera po sześć szaf (wygląd serwerowni jest pokazany na poniższym rysunku). Centralny rząd charakteryzuje się temperaturą początkową 51,4 °C i odpowiada mocy cieplnej rzędu 3000 W (rząd pokolorowany na szary). Dwa sąsiadujące z nim rzędy mają temperaturę początkową 77,3 °C i łącznie generują 16000 W (rzędy koloru czarnego), co odpowiada znacząco wyższemu obciążeniu cieplnemu w tej części domeny. Z kolei dwa skrajne rzędy, o temperaturze początkowej 28,4 °C, odpowiadają łącznej mocy cieplnej wynoszącej 500 W (rzędy koloru niebieskiego oraz zielonego). Tak zdefiniowany rozkład stanowi realistyczne odwzorowanie nierównomiernego obciążenia serwerowni, prowadzącego do powstawania lokalnych gradientów temperatury i złożonej struktury przepływu.

Wentylacja została zamodelowana jako układ nawiewu podłogowego z wyciągiem sufitowym). Powietrze doprowadzane jest przez powierzchnie w podłodze z prędkością 1 m/s, co odpowiada typowym wartościom stosowanym w systemach chłodzenia serwerowni (rząd wielkości 0,5–2 m/s). Wyloty zlokalizowane są w suficie i opisane warunkiem ciśnienia otoczenia, co pozwala na swobodny odpływ powietrza z domeny obliczeniowej. Lokalizacje punktów wlotu i wylotu powietrza są widoczne na poniższym rysunku.

Istotnym elementem modelu są obszary porowate zdefiniowane w podłodze, przez które realizowany jest nawiew powietrza. Przyjęta porowatość wynosi 0,8, co oznacza, że 80% objętości tych regionów jest dostępne dla przepływu. Parametr ten wpływa bezpośrednio na lokalny spadek ciśnienia oraz rozkład prędkości w strefie wlotowej, a tym samym na efektywność chłodzenia poszczególnych rzędów szaf. Obszary porowate są zaznaczone na poniższym rysunku.

Materiały konstrukcyjne odwzorowano poprzez przypisanie odpowiednich właściwości fizycznych: ściany serwerowni wykonane są z płyt gipsowo-kartonowych, natomiast szafy modelowane są jako konstrukcje stalowe. Uwzględnienie przewodzenia w tych elementach pozwala na bardziej realistyczne odwzorowanie akumulacji i dystrybucji ciepła.

Zdefiniowano dwa kluczowe cele obliczeniowe. Pierwszym z nich jest średnia temperatura na powierzchniach wylotowych (SG Environment Pressure 2 Temperature (Fluid) Bulk Average), stanowiąca podstawowy wskaźnik efektywności chłodzenia. Drugim jest średnia temperatura powietrza w całej domenie (GG Average Temperature (Fluid) 1). Oba cele pełnią istotną rolę w implementacji sprzężenia zwrotnego, ponieważ ich wartości wykorzystywane są do sterowania warunkami brzegowymi.

Definicja parametrów

W środowisku SOLIDWORKS Flow Simulation warunki brzegowe mogą być definiowane pośrednio, z wykorzystaniem parametrów oraz ich zależności. Takie podejście umożliwia powiązanie wartości zadawanych na granicach domeny z aktualnym stanem układu opisanym przez cele obliczeniowe.

Pierwszym krokiem jest utworzenie parametru reprezentującego temperaturę na wylocie. W tym celu, w module Parameters (Narzędzia → Flow Simulation → Project → Parameters), definiowany jest nowy parametr o nazwie temp-outlet. Następnie, korzystając z funkcji F(Goal) w zakładce Dependency, realizowane jest odwzorowanie wartości celu obliczeniowego na parametr.

Aby uzyskać zależność liniową 1:1, definiuje się co najmniej dwa punkty charakterystyczne, np.:

dla 0 °C → 0 °C

dla 100 °C → 100 °C

Takie podejście zapewnia bezpośrednie przeniesienie wartości temperatury z celu obliczeniowego do parametru.

Parametr sterujący temperaturą na wlocie

Kolejnym etapem jest utworzenie parametru sterującego temperaturą na wlocie, nazwanego temp-wlot. Parametr ten definiowany jest jako funkcja logiczna zależna zarówno od wcześniej utworzonego parametru temp-outlet, jak i od celu obliczeniowego reprezentującego średnią temperaturę powietrza w całej domenie (w tym przypadku: GG Average Temperature (Fluid) 1).

Zależność przyjmuje postać:

IF(({temp-outlet}<29)AND({GG Average Temperature (Fluid) 1}<24.5);20;16)

Oznacza to, że temperatura powietrza na wlocie pozostaje na poziomie 20 °C, dopóki spełnione są jednocześnie dwa warunki: temperatura na wylocie nie przekracza 29 °C oraz średnia temperatura w domenie jest niższa niż 24,5 °C. W przeciwnym przypadku następuje przełączenie warunku brzegowego i temperatura nawiewu zostaje obniżona do 16 °C.

Wygląd zakładki powiązanej z parametrami jest przedstawiony poniżej.

Powiązanie parametru z warunkiem brzegowym

Po zdefiniowaniu parametrów, w końcu można przejść do definicji wartości parametrów termodynamicznych na wlocie do domeny. W tym celu należy edytować warunek brzegowy „Inlet Velocity 1” i rozwinąć zakładkę „Thermodynamic Parameters”. Następnie należy wybrać opcję zależności temperatury i wybrać zależność „F(parameter)-table”.

W okienku „Dependent on parameter” należy wybrać parametr o nazwie „temp-wlot”. Następnie należy poinformować program jak temperatura na wlocie będzie się zmieniać w zależność od wartości parametru. Tutaj także należy zmapować wartości parametru 1:1. W tym celu należy podać wartość parametru i przypisać tą samą wartość w kolumnie „Value”. W tym przypadku został podany przedział od 0 do 100 stopni Celsjusza.

Po zdefiniowaniu wszystkich zależności generowana jest siatka obliczeniowa, a następnie uruchamiane są obliczenia nieustalone.

Wyniki

W trakcie symulacji obserwuje się działanie sprzężenia zwrotnego – wzrost temperatury w domenie prowadzi do zmiany warunków na wlocie, co z kolei wpływa na dalszy rozwój pola przepływu i temperatury. Jest to bardzo dobrze widoczne, na wykresie Goal Plot przedstawiający średnią temperaturę w całej serwerowni.

Widać, że temperatura rośnie, aż do osiągnięcia wartości 24,5 °C, a następnie zaczyna spadać. Wynika to z faktu, że temperatura na wlocie znacznie zmalała. Dodatkowo można zaobserwować to samo zjawisko na wykresie odpowiedzialnym za przedstawienie wykresu temperatury na wylocie z domeny obliczeniowej.

Dodatkowo poniżej widać rozkład temperatury w przekroju

Post: Symulacja sprzężenia zwrotnego w SOLIDWORKS Flow Simulation na podstawie wentylacji w serwerowni