摘要
在过去几年中，数据中心的数量每年增长10%到30%，因此企业逐步重视优化数据中心散热效果，以期提高效率，更好地匹配性能以降低能耗，最大限度地提高性能并重用浪费的能源。领先的数据中心开发人员依靠Simcenter软件创建仿真和测试解决方案的数字孪生，以更好地应对冷却挑战。
数据中心堪比互联网的大脑。在全球范围内，数据中心占全球能源消耗和二氧化碳排放量的1%-2%。大型数据中心容纳数以万计的设备，这些超大规模设施每年消耗20-50兆瓦的能量，这些能量足以满足37,000个家庭的用电需求。
数据中心40%-50%的能源用于暖通空调系统，但58%的能源消耗没有达到高效的电源使用效率(PUE)。
数据中心冷却系统不仅要高效运行，发挥理想性能，还要达到各级别认证要求，证明其可靠性和整体性能。
数据中心冷却系统面临着许多技术挑战。数据中心的处理过程会产生大量热负荷。随着下一代中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)的引入，处理器性能水平的提高将导致热负荷大幅增加。在各种新硬件和信息技术(IT)选项涌入后，热源也会大不相同。日益涌现的新工作负载，包括如火如荼的云计算迁移、物联网以及加密货币挖掘等流程的兴起，也大大增加了数据中心的热负荷。
数据中心冷却系统的技术挑战
数据中心散热面临重重挑战，包括：
1、热源：当今的计算硬件会在狭小的空间内产生大量热量。随着处理器和存储设备愈加强大，数据中心设备的封装比以往任何时候都更加密集，导致散热愈加困难。
2、热负荷和散热效率：散热设备的设计和配置必须能够有效地冷却数据中心设备。冷却不当会导致设备故障、缩短设备寿命并增加能耗。气流中的任何障碍物或泄漏都可能产生热点，降低散热效率。
3、能耗：数据中心的散热需要消耗大量的能量。事实上，美国能源部的一份报告指出，数据中心消耗了该国总电力的2%。散热会占到数据中心总能耗的40%。
4、费用成本：能耗和散热设备所需的初始投资来看，冷却数据中心的费用不低。此外，冷却设备的持续维护和更换成本可能也很高。
5、可变性和可扩展性：高计算可变性给数据中心散热带来了额外的挑战。算法控制的冷却系统需要根据使用情况调整系统性能。随着数据中心的发展和演进，其散热需求也可能发生变化。因此，企业务必部署一个能够扩展以满足数据中心不断变化需求的冷却系统。
6、环境影响：数据中心散热所需的能源和水消耗对环境有重大影响。散热所用的电力会产生碳排放和其他污染物，从而危害环境。
Simcenter仿真和测试解决方案产品组合是Siemens Xcelerator软件、硬件和服务业务平台的一部分，为优化数据中心冷却提供了宝贵的见解。凭借仿真和测试解决方案，数据中心建设者和运营商可在实施各种冷却策略之前对场景进行建模并测试其有效性。
以下是Simcenter解决方案可解决的部分数据中心散热问题：
1、系统仿真以虚拟方式评估概念设计、确定理想架构、定义子系统交互并分析管道系统中的流动。此外，将系统模型与物理或虚拟控制器相结合，可实现并行或早期自动化和控制逻辑开发。
2、计算流体力学(CFD)仿真使用三维数学表示来模拟数据中心的3D流体流动和热行为。这些仿真有助于找到热点和通风不良区域，并优化冷却设备的放置。
3、机械仿真可以通过声学建模功能评估冷却设备（泵、压缩机、冷水机组）的噪声，包括通过声音处理捕捉封装的效果。
4、该测试解决方案可有效识别现有冷却设备或数据中心设施中高噪声/振动水平的来源，并满足当地政府严格的噪声法规和噪声排放要求。
认证
Uptime Institute的Tier Standard（分级认证标准）是全球公认的数据中心可靠性和整体性能标准，规定了数据中心规格对应的各种级别性能（见下图）。
为了在要求苛刻的数据中心冷却系统中实现最高认证水平，设备必须配有冗余、多条独立的分布路径以及风扇、水泵和冷水机组速度的调节，以快速适应IT负载。
Simcenter的预测性仿真和测试应用程序产品组合能够尽早验证系统规格是否符合认证要求。系统仿真、计算机辅助工程仿真和物理测试解决方案的集成让验证概念成为可能：从详细的3D流体、热分析、组件选型和控件开发，到架构选择以及振动和声学故障排除。
系统仿真
系统仿真包括多物理场库，可在集成环境中表示物理系统中的机械、电气、流体和热领域。该软件用于评估这些域在既定系统和子系统配置下的交互方式。这些模型库还提供了多个级别的模型复杂性，从一维到三维建模，再到基于几何体的详细模型以及准静态和动态模型。
流体仿真
系统仿真支持分析任何规模和复杂性的管道系统。只需根据CAD或地理信息系统(GIS)图纸即可创建管道仿真模型，并且该软件还提供了液体、气体或两相流的稳态和瞬态分析工具。此外，它还可以控制流量平衡，轻松识别管线网络中出现的压力峰值，例如调节阀突然打开或关闭时。
制冷剂和水回路
为了支持制冷剂回路工程，系统仿真可提供两相流和热库来表示暖通空调蒸发器和冷凝器中发生的相变。这些库附带可用流体和固体属性的数据库。热库重点关注交换类型，例如流体与壁面之间的对流、不同固体材料几何体的传导以及主体之间的高热水平辐射。
制冷剂回路中的流体状况也可提前通过预处理应用进行检查，从而可以监控密度水平、网络时间协议(NTP)水平、熵、饱和度、压力和温度。您还可以调节压缩机入口处的过热度和/或膨胀设备入口处的过冷度。
系统仿真这款强大的工程工具可用于研究改变制冷剂流体的效果并预设热泵循环，以优化冷却机组的流体充注量和冷却性能。此外，您还可以轻松评估所需的功率和能量，以实现冷水机蒸发器所需的冷却容量，并从IT机房/部门的热交换器中带走适当的热量。
系统仿真可以通过冷水机组优化散热性能。现有的单相和两相流体库提供的数据可用于分析回路中或气-液和液-液热交换器空间中的流。此外，还可以分析新架构和制冷剂的性能并优化空气分布。
换热器
换热器是冷却系统的核心，系统仿真提供了多个复杂级别的建模。对于详细的组件设计和创新，基于几何体的模型可用于预测换热器流体两侧的散热性能和压力损失。然后，功能模型可用于研究子系统之间的相互作用，以便尽早集成控制策略，并评估系统甚至建筑物长达一年的总体能耗。因此，系统仿真使用整体行为可靠的快速运行模型。
为此，可使用详细的系统模型来预测组件的性能。
缩短开发控制算法的时间
系统仿真还可用于缩短开发和调试控制算法的时间。无论是硬件在环还是软件在环，都可以将系统仿真模型与可编程逻辑控制器(PLC)耦合。例如，借助西门子自动化，在硬件在环中，PLC可以通过作为仿真外设的专用单元（硬件）与物理仿真模型交换数据。在软件在环中，Simcenter物理模型的数据可以通过模拟真实PLC的虚拟控制器进行交换。当前基于可用的OPCUA、OPCDA和ModbusTCP通信协议，系统仿真几乎支持通过以太网连接到任何工业控制器。
工具与3DCFD仿真相结合
系统仿真应用程序还可以与3DCFD仿真工具相结合，对热流体分析进行局部优化。为支持制冷剂回路，工程系统仿真提供了两相流和热库，用于表示暖通空调系统中蒸发器和冷凝器中发生的相变。
系统仿真计算速度更快，适合在全局范围内研究整体散热性能、回路之间的相互作用以及总能耗，并从可行的变体中选择理想架构。
将系统仿真与基于几何体的模型相结合，可以在系统内部进行放大，从而促进设计改进以实现效率目标。在分析组件内部时，热流体行为可使用3DCFD工具进行验证，后者从系统仿真模型的真实边界条件接收数据。
1、流建模：通过3D流建模，用户可以深入了解数据中心散热设备的至优位置，显著降低运营成本，同时提高电子设备的性能和安全性。
2、热建模：热建模使用数学模型来模拟数据中心的热传导。这可用于预测不同组件的温度，找出散热不足的区域。
3、虚拟现实仿真：虚拟现实仿真可以实现数据中心的图形化表示，有助于操作人员探索空间并识别可能难以进入或空气流通不畅的区域。
案例一：三层数据中心系统的散热
相关人员可以通过仿真在无风险的环境中对最复杂的数据中心开展PLC控制器的早期调试。例如，一个三层数据中心冷却系统包含冷凝器、制冷剂和冷却水回路。数据中心还具有冗余和独立路径，可符合认证级别要求。所有楼层均设有IT室，冷却系统将配备冷水机组（制冷剂回路）和带储水池的冷冻水回路。每个楼层都设有独立的冷却回路，为IT室中的液-气换热器提供冷冻水，随后冷冻水返回冷水机组。
顶层的冷却塔设有两个独立的变速风扇，每个冷却塔装有四个开关阀，还有变速冷凝水泵（每支冷水机组回路一个）。所有这些都可以通过模拟来提高效率。
SimcenterAmesim软件（系统仿真）分析冷凝器水、制冷剂和冷冻水回路的物理行为，以将其控制在目标温度（13摄氏度）内。仿真还用于验证冷却系统是否能够正确调节空气温度并将其传递到IT室。
使用系统仿真模型，我们可以根据急剧变化的环境条件（温度和湿度）和IT负载来评估温度水平。冷却回路和IT机房中的温度水平以及IT负载都可以进行仿真，冷却塔和调节流量也可以进行仿真，其中包含大量物理系统中永远无法测量的变量。这样就可以评估冷却系统的功率和能耗，维持IT室的目标温度和最佳功耗效率。
Simcenter使用系统仿真数字孪生分析冷却系统的物理行为。数字孪生支持并行工程，因此甚至可以在施工前验证系统设计。操作人员可以接受线上培训，并在无风险的环境中执行假设场景，一旦数据中心投入运行，数字孪生可用于系统诊断和预测性维护。
案例二：对气流和热行为建模
对航空电子设备舱内电子卡的热交换进行建模，演示如何耦合一维和三维仿真以提高散热性能。
通过使用三维CFD协同仿真来表示外壳外部的复杂气流，每张电子卡都被量化为一维系统仿真模型中的六个热质量。外壳的每个壁还使用了一个附加热质量。仿真可以分析空气交换过程中的对流、传导和辐射。在三维CFD模型中，使用航空电子设备舱的简化版几何体形成矩形，其中有两个进气口用于风量分配。
使用TCP/IP套接字在两个仿真工具之间交换变量，可以观察航空电子设备舱中的温度分布和气流，以及电子卡中达到的温度。此类分析允许检测电子设备中可能存在的局部热点。该仿真还准确分析了舱内的复杂气流场、外壳之间的耦合行为以及外壳位置对散热效率的影响。
捕捉CPU和GPU释放的热量
系统仿真和CFD仿真还可用于服务器的全浸入式液冷。这项创新技术能够有效捕获IT设备释放的热量，比风冷效率更高。但是，液冷服务器必须将冷却液输送到所有IT组件、散热器和其他主要热源。这里的挑战在于如何在不过度设计系统的情况下将适量的冷却液输送到正确的组件。
通过仿真，您可以找到高效的冷却设计，使用泵送浸入式液冷技术在机架式单机服务器机箱中实现高可靠性。具体做法是在一定范围的可能流速下确定系统的压降，帮助根据流速和额定功率选择理想的设计。分析流向机架每个组件或整个系统的流量平衡情况，以确保机架中的每个技术单元都具有适量的冷却液流量，从而最大限度地降低对建筑服务的需求，维持温度处于可接受范围。此外，通过系统仿真设计管道网络，将冷却液输送到机架内的服务器机箱，避免在接头或连接处产生任何压力峰值或应力，从而消除服务器机房的泄漏风险。
系统仿真是一种强大的工程工具，可以尽可能地提高数据中心冷却系统的可用性、可靠性和效率。在考虑流体流动、热力学和控制时，它可以表示复杂组件和系统的多物理场行为。借助Simcenter仿真工具，您可以在无风险的环境中实现早期调试控制策略，通过优化控制和引入更高效的暖通空调系统和能量回收系统来研究节能效果。
使用仿真可以进行瞬态分析，验证冷却系统适应变化极大的IT负载和天气条件的能力。通过对在效率、动态响应、能耗和数据安全性方面表现出色的架构进行基准测试，仿真工具可以加快下一代数据中心冷却基础设施的工程设计。