CFD للتبريد السائل في مراكز البيانات: ما يجب أن يلتقطه النموذج

الخادم الأشد حرارة يحصل على أقل قدر من سائل التبريد

إليك نظام تبريد يرسل أكبر قدر من سائل التبريد إلى الخوادم الأقل حاجة إليه. لم يصممه أحد على هذا النحو.

في دارة ثنائية الطور تعمل بمضخة، تُبخّر لوحة التبريد ذات الحمل العالي قدراً أكبر من وسيط التبريد، فيرتفع هبوط الضغط فيها، وينتقل السائل إلى اللوحات التي تعمل أقل. في نموذج لخزانة من 34 وحدة خادم أعدّه Ozguc وزملاؤه، ومن دون محدِّدات للتدفق، بلغت أسوأ وحدة نسبة جفاف متوقعة عند المخرج قدرها 176%، وهي طريقة النموذج المهذبة ليقول إن اللوحة جفّت.

الدارات أحادية الطور تتصرف أفضل، لكن بأقل مما توحي به مخططاتها. ونموذج CFD للتبريد السائل في مراكز البيانات عليه أن يبيّن بأي مقدار، وأن يغطي ثلاثة مقاييس: الجريان والتوصيل داخل لوحة تبريد واحدة، وحصة السائل التي تنالها كل لوحة في الخزانة، والهواء الذي ما زال يحمل جزءاً من الحرارة في القاعة. يتناول هذا المقال كلاً منها بالأرقام التي تقارنها الصناعة فعلاً (المقاومة الحرارية، والتدفق لكل كيلوواط، وهبوط الضغط)، مع موازنة طاقة محسوبة والاختصارات النمذجية التي تجعل النموذج يبدو أفضل من العتاد.

ما الأرقام التي يذكرها الجميع؟

قبل أي شبكة، تعلّم الأرقام الثلاثة التي سيُحكم بها على نموذجك، وكيف يُعرَّف كل منها بالضبط. ووثيقتان من Open Compute Project هما أوضح المصادر العامة.

التدفق لكل كيلوواط. توصي إرشادات OCP لأنظمة المسرّعات المبرّدة بالسائل بارتفاع في حرارة سائل التبريد من 7.5 إلى 12 °C، وتترجم ذلك إلى ما بين 1.25 و2.0 لتر في الدقيقة لكل كيلوواط لسائل يحتوي على 25% من البروبيلين غليكول، يُعرف بـ PG25. هدفها التصميمي المعتاد ارتفاع قدره 10 °C، أي 1.5 L/min لكل kW. الارتفاع الأكبر يحسّن كفاءة المنشأة ويقتطع من هامش التبريد، والأصغر يفعل العكس. وتتوقع الإرشادات نفسها أن تعمل كل لوحة تبريد لمسرّع بتدفق من 1 إلى 2 L/min.

المقاومة الحرارية. تعرّفها مواصفة اختبار لوحات التبريد من OCP، السارية منذ 3 سبتمبر 2026، هكذا:

تُقاس واللوحة مركّبة على معالج أو على مركبة اختبار حرارية مع مادة الواجهة الحرارية الموصى بها. T_s هي حرارة الغلاف، وT_l حرارة السائل عند المدخل، وP القدرة المطبّقة. يكون سائل الاختبار عادة عند 45 ± 2 °C، ويتكرر الاختبار عند عدة معدلات تدفق للحصول على منحنى.

تستخدم إرشادات المسرّعات الصيغة نفسها من الغلاف إلى المدخل، وتذكر للوحات التبريد المفردة قيماً من 0.014 إلى 0.019 °C/W عند 1.5 إلى 3.5 L/min لكل لوحة. وقد اشتُقت هذه القيم بافتراض توزيع منتظم للتدفق، وتضيف الإرشادات أن سائل PG25 قد يكلّف حتى 15% من الأداء مقارنة بالماء منزوع الأيونات.

هبوط الضغط. تقيسه المواصفة في دارة اختبار تتضمن الأنابيب ووصلات الفصل السريع، وتطرح منه قياساً مرجعياً من دون اللوحة. وتُعرض ستة معدلات تدفق على الأقل بين 25% و150% من التدفق الاسمي، منها 100%، على شكل منحنى مطابقة بمعاملين. واختبار تدفق منفصل يصل إلى ما دون 1.5 m/s بقليل للتحقق من التآكل والتسرب.

لاحظ التفاصيل في هذه التعريفات: أي حرارة، مقيسة أين، عند أي حرارة مدخل، بأي سائل، وعلى أي نطاق تدفق. على نموذج CFD لديك أن يعطي الكمية نفسها بالطريقة نفسها. وإلا كانت المقارنة بين رقمين يتقاسمان الرمز فقط.

موازنة طاقة محسوبة

مثال محسوب. لنبدأ من الزوج الذي تعطيه الإرشادات نفسها: 1.5 L/min لكل kW يعطي ارتفاعاً قدره 10 K. هذا الزوج يحدد السعة الحرارية الحجمية لسائل التبريد، ومعها الحرارة التي يستطيع كل لتر في الدقيقة أن يحملها.

إذن يحمل كل لتر في الدقيقة نحو 67 W لكل كلفن من الارتفاع. استخدم ذلك الآن فحصاً لنموذجك. إذا أظهر حساب CFD لديك مخرجاً أعلى من المدخل بـ 12 K عند 1 kW و1.5 L/min، فالتبريد سليم وموازنة الحرارة هي المعطوبة. في مكان ما تتولد حرارة، أو أن التدفق ليس ما تظنه. أصلح ذلك قبل أن تنظر إلى أي مخطط كفافي.

مع مدخل عند 40 °C ومقاومة قدرها 0.017 °C/W، ضمن النطاق المنشور، تكون حرارة الغلاف:

استخدم نشرة البيانات الخاصة بسائل التبريد الذي تنمذجه فعلاً. تركيز الغليكول ودرجة الحرارة كلاهما يحرّك هذه الأرقام، وكل ما يلي يتغير بتغيرها.

ما الذي تتضمنه المقاومة الحرارية بصمت

جزء من هذه الـ 0.017 °C/W يعود إلى سائل التبريد. لأن R مرجعها حرارة المدخل، فهي تتضمن تسخّن السائل وهو يعبر اللوحة. في المثال أعلاه يكسب السائل نحو 10 K. وإذا كانت المنطقة الساخنة من الشريحة تقع في منتصف مسار الجريان تقريباً، فإن نحو 5 K من فرق الـ 17 K بين الغلاف والمدخل تأتي من ارتفاع حرارة السائل نفسه، أي قرابة الثلث. هذا تقدير تقريبي بافتراض بسيط، وهو يفسر أمراً يحيّر كثيرين: عند تدفق أقل، يكون جزء من ارتفاع R مجرد تسخّن أكبر للسائل، مع بقاء الحمل الحراري على حاله.

التعريف القائم على فرق الحرارة اللوغاريتمي المتوسط يفصل بين الأثرين. وأياً كان التعريف الذي تفضّله، اذكر التعريف الذي يستخدمه الاختبار.

داخل لوحة تبريد واحدة: الجريان طباقي

مثال محسوب بهندسة توضيحية. خذ 1.5 L/min موزعة على 100 قناة متوازية، عرض كل منها 0.3 mm وارتفاعها 2 mm، وخصائص الماء عند 40 °C من الجداول القياسية، أي نحو 992 kg/m³ و0.65 mPa·s.

خليط الغليكول أكثر لزوجة من الماء، فعدد رينولدز الحقيقي أقل من ذلك. بضع مئات تعني جرياناً طباقياً بأي معيار، وكثير من تصاميم القنوات الدقيقة والمتوسطة تقع في النظام نفسه.

لذا أوقف نموذج الاضطراب في القنوات، أو اعرف على الأقل ما يفعله هناك. نموذج الاضطراب الذي يُغذّى بشدة اضطراب افتراضية عند المدخل قد يضيف لزوجة دوامية لا يملكها الجريان، فيرفع معامل انتقال الحرارة ويجعل اللوحة تبدو أفضل مما هي. افحص نسبة اللزوجة الاضطرابية في القنوات. إن لم تكن قريبة من الصفر، فقد حصلت على جوابك.

داخل لوحة تبريد واحدة: الجريان ما زال في طور النمو

أطوال المدخل الطباقية هي تقريباً 0.05 Re D_h لتوزيع السرعة و0.05 Re Pr D_h لتوزيع الحرارة. والجداء Re Pr هو عدد بيكليه، V D_h ρc_p / k، وهو لا يعتمد على اللزوجة، فلا يحتاج إلا إلى السعة الحرارية الحجمية من موازنة الطاقة وإلى موصلية حرارية تقارب 0.6 W/(m·K).

يستقر توزيع السرعة خلال سنتيمتر، وأسرع مع الغليكول الأكثر لزوجة. أما توزيع الحرارة فما زال ينمو على طول يقارب طول لوحة التبريد كلها، وخليط الغليكول، الذي يوصل الحرارة أسوأ من الماء، يجعله أطول. لذا فإن عدد نسلت للجريان الطباقي المكتمل النمو يبخس انتقال الحرارة على معظم طول القناة. سيختلف الحساب اليدوي عن نموذج CFD، والجدير بالتصديق هو CFD إذا كانت الشبكة تحلّ الطبقة الحدية الحرارية. وتشير إرشادات OCP إلى النقطة العملية نفسها: يستخدم المصممون المحاكاة لدراسة توزيع الحرارة على طول الزعانف ولمنع الجريان من أن يكتمل نموه في القنوات.

ابنِ الشبكة وفقاً لذلك: عدة خلايا عبر كل قناة وعبر كل زعنفة، ودراسة شبكة على الكميتين المهمتين، R وهبوط الضغط. وطريقة مؤشر تقارب الشبكة من مقالنا عن استقلالية الشبكة تنطبق هنا كما في أي مكان.

مصدر الحرارة ليس تدفقاً حرارياً مستوياً ومنتظماً

هذا هو الاختصار الذي أراه أكثر من غيره في نماذج انتقال الحرارة المقترن للإلكترونيات، وهو يجامل لوحة التبريد في كل مرة.

التدفق الحراري المنتظم على قاعدة لوحة التبريد يعطي حقل حرارة أملس متماثلاً وذروة منخفضة لطيفة. أما المسرّع الحقيقي ففيه مناطق ساخنة، والحرارة تعبر طبقات متراكبة قبل أن تصل إلى اللوحة. تعدّد إرشادات OCP العناصر الواقعة بين الوصلة وسائل التبريد: رزمة الشرائح، ومادة الواجهة الحرارية الأولى والغطاء، ومادة الواجهة الثانية، ولوحة التبريد نفسها، والتداخل الحراري الجانبي بين المتجاورات. وتضيف أن جزءاً كبيراً من ارتفاع الحرارة قد ينشأ على سطح الغلاف وفي داخله، وأن حدّ التبريد في كثير من الحالات يعتمد على الغلاف أكثر مما يعتمد على حل التبريد.

لذا انمذج الطبقات: الغطاء وطبقات الواجهة كأجسام صلبة أو كمقاومات حرارية رقيقة بقيم مأخوذة من بيانات، وخريطة قدرة من مورّد الشريحة إن استطعت الحصول عليها، وهندسة مركبة الاختبار الحرارية إن كنت تقارن باختبار. وحيث لا تملك مقاومات الواجهة أو التلامس، قل إنها افتراضات وأجرِ حالة حساسية. فهما المدخلان الأكثر قدرة على تحريك الجواب.

عبر الخزانة: من ينال سائل التبريد؟

لوحات التبريد المتوازية تتقاسم التدفق بحسب مقاومتها الهيدروليكية، ولكل مجمّع وخرطوم ووصلة فصل سريع رأي في ذلك. إذا كان توزيع التدفق غير متساوٍ، فاللوحة التي تنال تدفقاً أقل تسخن أكثر، ولن يخبرك بذلك أي نموذج للوحة واحدة.

الفيزياء نفسها تفسر لماذا تخفق المبادلات الحرارية في بلوغ قدرتها، وهو ما تناولناه في مقال سوء توزيع الجريان في المبادلات الحرارية. فالخزانات المبرّدة بالسائل هي، من الناحية الحرارية، مبادلات حرارية صغيرة بأنابيب باهظة الثمن جداً.

على التوالي أم على التوازي؟

تقارن إرشادات OCP للمسرّعات بين ترتيبين لثماني لوحات تبريد: أربعة فروع متوازية في كل منها لوحتان على التوالي (4 × 2)، والثماني كلها على التوازي (8 × 1). ووفقاً لنموذج شبكة جريان معايَر ببيانات الاختبار، وعند 10 L/min من البروبيلين غليكول بتركيز 25%، احتاجت دارة 4 × 2 إلى نحو 10 psi ودارة 8 × 1 إلى نحو 7 psi. وأبقى ترتيب 8 × 1 جميع الشرائح ضمن 1 °C بعضها من بعض، مقابل 7 °C في ترتيب 4 × 2.

مثال محسوب. لماذا 7 °C؟ في ترتيب 4 × 2 عند 10 L/min يحمل كل فرع 2.5 L/min. لنفترض أن كل لوحة تبدّد 1 kW:

تتلقى الشريحة الواقعة في أسفل التيار سائلاً أدفأ بنحو 6 K من الشريحة الواقعة في أعلاه قبل أي أثر آخر، ثم يكمل التدفق غير المتساوي بين الفروع الباقي. أما الترتيب المتوازي بالكامل فيزيل هذا التسخين المسبق، ويطلب من المجمّع أن يوزع التدفق بالتساوي بين ثماني لوحات بتدفق أقل لكل منها، وهنا بالذات يجب أن تظل لوحات التبريد تؤدي جيداً.

انمذج الدارة كشبكة

تُظهر دراسة OCP الطريقة التي سأوصي بها لمعظم دارات الخزانات. استخدم CFD على لوحة تبريد واحدة عبر نطاق تدفقها للحصول على منحنيات هبوط الضغط والمقاومة الحرارية بدلالة التدفق. أدخل هذه المنحنيات في شبكة جريان أحادية البعد للدارة كلها: المجمّعات والخراطيم والوصلات واللوحات. عايِر الشبكة باختبار للدارة، ثم استخدمها لاستكشاف الترتيبات ونقاط التشغيل.

يمكنك أن تبني شبكة لدارة خزانة كاملة بكل زعنفة محلولة. هذا ممكن، ومثير للإعجاب، ونادراً جداً ما يكون الخطوة الأولى الصحيحة. الشبكة تجيب عن سؤال التوزيع في ثوانٍ، ويذهب جهد CFD إلى حيث تكون الفيزياء صعبة.

فخ الطورين

لنعد إلى البداية. في الدارات ثنائية الطور يعتمد هبوط الضغط في اللوحة على حملها الحراري، فيتغير التوزيع مع حمل العمل. استخدم Ozguc وزملاؤه نموذجاً للمجمّعات يقوم على حفظ الكتلة والزخم والطاقة، مع افتراض جريان ثنائي الطور متجانس، ومنحنيات هبوط ضغط للوحدات مطابقة لـ 104 نقاط اختبار، تنبأ النموذج بمعظمها ضمن 25%. وعلاجهم فتحة تقييد قبل كل لوحة تبريد، تُصمَّم بحيث يكون هبوط الضغط في المحدِّد هو الغالب. وحين صُممت الفتحات بشكل صحيح أبقت كل وحدة عند نسبة جفاف عند المخرج لا تتجاوز 85%. وحين كانت أصغر مما ينبغي لم تصلح سوء التوزيع، وحين كانت أكبر أهدرت الضغط.

الدرس للمنمذجين أن الخزانة ثنائية الطور مسألة شبكة جريان بمدخلات تجريبية قبل أن تكون مسألة CFD بزمن طويل. فالغليان داخل قنوات لوحات التبريد ما زال مسألة بحثية بالنسبة إلى CFD، وهذه الحالة حُلّت بالشبكة المغذّاة ببيانات مقيسة.

في القاعة: هل ما زال الهواء مهماً؟

نعم. التبريد المباشر للشرائح يغطي عادة أشد المكونات حرارة، ويبقى باقي الخادم مبرّداً بالهواء، فيصل جزء من حرارة كل خزانة إلى القاعة دائماً. لنفترض، من أجل المثال، أن خُمس خزانة قدرتها 100 kW يبقى على الهواء. هذا يعني 20 kW من الحمل الهوائي لكل خزانة، وهو ما كانت تحمله وحدها خزانة كثيفة مبرّدة بالهواء.

وتشير إرشادات OCP أيضاً إلى أن أعلى درجات حرارة سائل التبريد، من 40 إلى 45 °C في التغذية الثانوية، يمكن خدمتها بمعدات هجينة من سائل إلى هواء، مثل مبادلات الباب الخلفي والمبادلات الجانبية. وهذه تعيد الحرارة إلى هواء القاعة عن قصد.

إذن يبقى نموذج القاعة. تصبح الخزانات شروطاً حدية بتدفق هواء وحمل حراري، وتصبح الأبواب الخلفية والوحدات الجانبية مبادلات حرارية، ويبقى السؤال المألوف عن إعادة التدوير ودرجات حرارة الدخول. إذا كنت قد نمذجت جريان الهواء في القاعات من قبل، فالطريقة نفسها، مع أحمال هوائية لكل خزانة أصغر مما توحي به لوحة البيانات، وهامش أقل مما يود أي أحد.

أخطاء شائعة كما تبدو على الشاشة

• حرارة قاعدة ملساء متماثلة تحت تدفق حراري منتظم. الشرائح الحقيقية فيها مناطق ساخنة؛ والذروة في النموذج متفائلة.
• لزوجة اضطرابية غير صفرية في قنوات طباقية. تبدو اللوحة أفضل مما هي.
• كل الشرائح عند الحرارة نفسها في نموذج الخزانة. افترض أحدهم تدفقاً منتظماً. وحتى تقارير الاختبار الجيدة تنص على هذا الافتراض، فاقرأه.
• مقاومة من نشرة البيانات مستخدمة مع سائل آخر أو تدفق آخر. يختلف الماء منزوع الأيونات وPG25 بما يصل إلى 15% في بيانات OCP، وR تعتمد على التدفق.
• حرارة مخرج لا تتفق مع P / (ρc_p V̇). مشكلة في موازنة الحرارة. توقف وابحث عنها.
• مقاومة CFD محسوبة من متوسط حرارة القاعدة، تُقارن باختبار يستخدم مزدوجة حرارية في مركز الغلاف. رقمان مختلفان برمز واحد.
• لا نموذج للقاعة، لأن الخزانة «مبرّدة بالسائل».

ما الذي كنت سأفعله

لنظام تبريد مباشر للشرائح أحادي الطور:

1. لوحة تبريد واحدة بالتفصيل. انتقال حرارة مقترن، وجريان طباقي في القنوات، وطبقات الغلاف، وخريطة قدرة واقعية، تُحسب عند خمسة أو ستة معدلات تدفق عبر نطاق اختبار OCP، مع دراسة شبكة على R وهبوط الضغط.
2. مقارنة باختبار للوحة إن وُجد، بالتعريفات نفسها والسائل نفسه وحرارة المدخل نفسها.
3. شبكة جريان للدارة، مبنية على منحنيات CFD ومعايَرة باختبار للدارة حيثما أمكن.
4. نموذج للقاعة تكون فيه الخزانات شروطاً حدية للحرارة وتدفق الهواء، بما في ذلك الحمل الهوائي المتبقي وأي أبواب خلفية.

يتغير هذا في الأنظمة ثنائية الطور، حيث سأبدأ بشبكة الجريان وبيانات اللوحات المقيسة وأترك CFD للأسئلة الموضعية. ويتغير مرة أخرى في التبريد بالغمر، حيث يحدد الحمل الحراري الطبيعي في الخزان المسألة، ويختلف النموذج بما يكفي ليستحق مقالاً خاصاً.

ابدأ في كل حالة بالمنديل: القدرة، والتدفق، وارتفاع الحرارة، وسلسلة المقاومات. إذا لم تتوافق الأرقام على المنديل، فلن تجعلها أي شبكة تتوافق على الشاشة.

إذا كنت تصمم نظاماً مبرّداً بالسائل أو تتحقق منه وتريد نمذجة لوحة التبريد أو الدارة مع الفحوص المذكورة أعلاه، فصفحة CFD للمبادلات الحرارية تصف طريقتنا في هذا النوع من أعمال انتقال الحرارة المقترن، ونماذج التعاقد توضح ما تتضمنه الدراسة.