3. Modélisation des salles informatiques
3.2. La modélisation avec l’outil ECOTECT
Autodesk Ecotect Analysis est un logiciel de modélisation et de simulation destiné aux
architectes et aux ingénieurs. Il a été conçu pour réaliser des analyses de « performances
environnementales » de bâtiments et intègre des outils de simulation connexe : d’éclairage naturel,
de radiations solaires, d’impact visuel, etc. [47]. Le programme offre aussi la possibilité d’exporter
des projets vers des codes de calcul spécialisés et reconnus tels que Radiance (développé au
Lawrence Berkley National Laboratory) et EnergyPlus (développé à l’U.S Department Of Energy).
Mais dans le cadre de notre projet, l’intérêt principal d’Ecotect est son éditeur de script en langage
« Lua ». Ainsi nous nous servons du logiciel comme d’une interface graphique afin de modéliser la
géométrie de la salle informatique du Datacenter en 3D et définir un maillage. Un exemple est
présenté Figure 48 et Figure 49 ci-dessous :
Figure 48 : Modélisation de 4 racks avec Ecotect Figure 49 : Visualisation du maillage et des
cloisons
Sur la Figure 48, les 4 racks informatiques sont délimités par les cloisons en jaune, tandis que
chacune des 16 alvéoles représente un serveur informatique. L’ouverture rectangulaire au sol
modélise la grille de soufflage d’air frais, et les 2 surfaces hautes au niveau du plafond représentent
les grilles d’extraction d’air chaud. La Figure 49 permet de visualiser le maillage 3D du domaine qui
permettra la discrétisation en espace du problème.
Une fois la modélisation géométrique réalisée, un script Lua crée des fichiers d’entrée pour le
code de CFD Thétis, contenant les coordonnées de chaque élément ainsi que le maillage. Ils sont
ensuite interprétés, grâce à un ensemble de subroutines programmés spécialement et intégrés à
Thétis.
Cette procédure est détaillée dans les chapitres suivants, ou les méthodes et les hypothèses
employées pour modéliser les composants d’un centre de calcul sont expliquées.
3.2 La modélisation avec l’outil ECOTECT
3.2.1. Domaine et conditions aux limites
La Figure 50 représente une salle des serveurs vides que l’on souhaite modéliser. L’aperçu est
issu du logiciel Ecotect-Analysis :
Figure 50 : Domaine de simulation et conditions aux limites
Le domaine de la simulation correspond aux dimensions de la pièce, les parois et les grilles de
soufflage (en bleu) ou d’aspiration (en rouge) sont les limites du système.
3.2.2. Conditions de température
La salle des serveurs est considérée comme étant indépendante des autres zones du data center.
Il n’y a donc pas d’échange thermique possible aux travers des 6 parois qui sont considérées comme
adiabatiques. Afin de tenir compte de la température de soufflage 𝑇
𝑐𝑜des unités CRAH, une
condition de température est fixée sur une partie de la limite comme représenté Figure 51 :
Figure 51 : Condition de température sur une grille de soufflage
La Figure 51 représente les nœuds de pression/température positionnés sur une paroi, tandis
que le carré bleu représente la grille de soufflage. Afin de bien tenir compte de la géométrie, des
nœuds repérés en bleu, sont placés exactement sur le bord de la grille de soufflage. Ceux
immédiatement adjacents (en jaune) sont fixés très proches de ces derniers, de manière à limiter la
diffusion de température. Par conséquent, le maillage sera de type non régulier. Finalement, les
températures des nœuds en bleu et des nœuds transparents situés dans la zone de la grille sont
fixées à la valeur 𝑇
𝑐𝑜. Une condition de type adiabatique est appliquée aux nœuds jaunes et gris
situés sur la paroi.
3 Modélisation des salles informatiques
3.2.3. Conditions de vitesse imposée
La condition d’adhérence est observée sur l’ensemble des 6 murs de la salle, ce qui signifie que
les vitesses d’air seront nulles sur les parois du domaine. Concernant les grilles de soufflage et de
reprise d’air, une condition spécifique doit être créée afin de respecter au mieux les débits d’air
entrant et sortant. D’un point de vue modélisation, la limite est traitée de la manière indiquée sur
les Figure 52 (a) et (b):
(a)
(b)
Figure 52 : Condition de vitesse sur une grille de soufflage
La Figure 52 (a) présente la même vue que la Figure 51, le maillage de vitesse décalé est ajouté
et les composantes selon les axes X1 (rouge) et X3 (vert) sont visibles. La Figure 52 (b) est une
représentation « en coupe » de la Figure 52 (a) selon le plan X1 X2 passant par le centre de la grille
de soufflage. Sur la Figure 52 (b), le trait plein du maillage passant par les nœuds de pression
représente la paroi tandis que les composantes de vitesse selon X2 sont représentées en bleu et en
mauve.
La condition d’adhérence étant appliquée à la paroi, les vitesses résultantes aux nœuds de
pression doivent être nulles. Par conséquent et dans un premier temps, l’ensemble des composantes
de vitesse dans les directions X1 X2 et X3 sont fixées à 0.
Une grille de ventilation est caractérisée par ses dimensions et son débit. Dans cette études, on
considère que l’air est injecté (ou évacuée) avec une direction perpendiculaire à la paroi. Ainsi,
seules les composantes de vitesse normales au plan de la surface sont modifiées. De plus, on fait
l’hypothèse que le débit d’air est uniforme sur toute la grille. Les composantes de vitesse repérées
en bleu sur la Figure 52 (b) auront donc la même valeur 𝑣
𝑔, calculée en fonction du débit souhaité.
Cependant, lors de la discrétisation en espace du domaine par la méthode des volumes finis, la
géométrie de la grille est déformée car surface « modélisée » de la grille correspond à la somme des
volumes de contrôle [38]. Elle est représentée par le carré orange Figure 52 (a) et par les traits pleins
orange Figure 52 (b).La vitesse 𝑢
𝑔𝑟est donc calculée de la manière suivante :
𝑢
𝑔𝑟= 𝑀
𝑔3.2 La modélisation avec l’outil ECOTECT
Avec 𝑀
𝑔le débit d’air de la grille et 𝑆
𝑐𝑜,𝑔𝑟la somme des surfaces de contrôle modélisant la
surface de la grille. En appliquant cette méthode à l’ensemble des grilles d’injection ou d’extraction
d’air, l’hypothèse de conservation de la masse est parfaitement respectée et les équations de
Navier-Stokes incompressibles peuvent être résolues.
3.2.4. Modèle simplifié des serveurs informatiques
Dans un premier temps, nous présentons la méthode qui est appliquée pour reproduire le
modèle simplifié introduit par Cho et al. [7] [21] et évoqué au chapitre 3.1.1. Par la suite ce modèle
servira de base à la mise en place d’un serveur virtuel plus détaillé intégrant des problématiques de
variation de puissance des composants et de régulation des ventilateurs. Les Figure 53 (a) et (b)
ci-dessous représentent les schémas d’un modèle de serveur et d’un modèle de rack « simplifié »:
(a)
(b)
Figure 53 : schéma de modèle de serveur (a) et de rack (b) « simplifié »
Le modèle peut être séparé en 3 grandes parties :
Les cloisons qui délimitent les cavités des serveurs et par extension du rack. Elles sont
représentées Figure 53 (a) et (b) par des surfaces transparentes bordées par des traits pleins
noirs. Les surfaces d’entrée et de sortie en bleu et jaune ne sont pas cloisonnées
L’énergie dissipée par les composants dans les serveurs ; elle est représentée par des
volumes en rouge dans chaque cavité
L’entrainement de l’air par les ventilateurs au travers des serveurs. Les flèches disposées sur
les surfaces de sortie, indiquent les directions des écoulements. Pour chaque équipement
IT, la vitesse de l’air est uniforme dans la cavité
Les chapitres suivants, détaillent les méthodes utilisées pour mettre en œuvre les 3 composantes
du modèle de serveur
Energie dissipée Par le serveur
3 Modélisation des salles informatiques
3.2.5. Modélisation des cloisons
Les cloisons des serveurs servent à canaliser l’écoulement dans les cavités. Elles sont
représentées sur la Figure 54 ci-dessous pour le cas de la salle contenant les 240 équipements
informatiques :
Figure 54 : cloisonnement des 240 serveurs
Les cloisons sont des tôles en acier d’une épaisseur de l’ordre du millimètre. Cette grandeur est
très petite devant la taille de la salle (de l’ordre du mètre). La Figure 55 ci-dessous présente la
méthode adoptée pour modéliser une cloison verticale (dans le plan X2 X3) en fonction du
maillage :
(a) (b) (c)
Figure 55 : Schéma de modélisation des cloisons en fonction du maillage
La Figure 55 (a), montre les nœuds de pression/température d’un maillage tandis que le carré
de couleur bleu représente une cloison. Sur la Figure 55 (b), le maillage décalé est affiché et les
carrés de couleur représentent les nœuds de perméabilité. Finalement la Figure 55 (c) est une coupe
des Figure 55 (a) et (b) passant par le centre de la cloison et selon l’axe X1 X2.
Le maillage est créé de manière à ce que des nœuds de pression soient positionnés sur les
frontières de la cloison. Comme on peut le constater sur la figure (c) l’épaisseur de la cloison est
donc infiniment petite. Celle-ci peut donc être considérée comme « infiniment fine ».
Hypothèse pour le comportement thermique :
Les caractéristiques de la cloison qui interviennent dans le calcul des températures sont : la
masse volumique 𝜌
𝑐𝑙= 7500 𝑘𝑔. 𝑚
−3, la conductivité thermique 𝜆
𝑐𝑙= 46 𝑊. 𝑚
−1. °𝐶
−1et la
capacité calorifique 𝐶
𝑝𝑐𝑙= 460 𝐽. 𝑘𝑔
−1. °𝐶
−1. Les variables 𝜌
𝑐𝑙et 𝐶
𝑝𝑐𝑙sont affectées à chaque
3.2 La modélisation avec l’outil ECOTECT
conductivité thermique est affectée sur les nœuds du maillage décalé qui sont immédiatement
adjacents aux nœuds de pression repérés précédemment. Ces nœuds sont indiqués par des
marqueurs rouges Figure 55 (b) et (c).
Hypothèse sur la vitesse :
Comme pour les parois qui bornent le domaine de calcul, une condition d’adhérence est
observée sur les cloisons où la vitesse résultante aux nœuds de pression doit être nulle. Cette
condition est obtenue en pénalisant les 6 nœuds de perméabilité adjacents à chaque nœud de
pression positionnés sur la paroi à la valeur 0. Ces nœuds appartiennent au maillage décalé et sont
repérés en rouge sur les Figure 55 (b) et (c).
3.2.6. Modélisation de la production de chaleur
Le fonctionnement d’un serveur informatique entraine systématiquement un dégagement
d’énergie sous forme de chaleur. Dans sa présentation, Patterson [9] identifie les principaux
composants responsables de celui-ci. Par ordre décroissant apparaissent les processeurs, suivis des
microprocesseurs et des disques durs, puis dans une moindre mesure la mémoire et les composants
I/O (Input Output). Les architectures des cartes informatiques sont très complexes et à l’échelle
du millimètre, c’est pourquoi dans le cadre de l’étude d’une salle informatique complète, un modèle
très simplifié s’impose. Les composants électroniques, étant contenus dans l’enceinte du serveur,
l’énergie qu’ils dégagent est traitée sous la forme d’une puissance thermique uniformément répartie
sur le volume à l’intérieur du serveur (Figure 56 (a) et (b)). Cette méthode est basée sur les très
nombreuses études traitant des écoulements d’air et des transferts de chaleur dans les salles
informatiques [6] [45] [7] [10] [21] [8].
(a) (b)
Figure 56 : Schéma de modélisation de la puissance des serveurs
La Figure 56 (a) représente une vue en coupe d’un serveur informatique dont une cloison est
représentée en bleu et la Figure 56 (b) est une vue de face du serveur, le carré en trait noir plein
représentant les cloisons latérales, supérieures et inférieures.
L’énergie dissipée est modélisée en imposant le terme 𝑃𝑠 de l’équation de l’énergie (2.3) à la
valeur 𝑃𝑠
𝐼𝑇sur chacun des nœuds de pression à l’intérieur de la cavité représentant l’équipement
3 Modélisation des salles informatiques
𝑃𝑠
𝐼𝑇= 𝑃
𝐼𝑇𝑉
𝑐,𝐼𝑇(3.2)
Où 𝑃
𝐼𝑇est la puissance du serveur, et 𝑉
𝑐,𝐼𝑇est un volume obtenu en intégrant l’ensemble des
volumes de contrôle autour des nœuds de pression pénalisés (en orange Figure 56 (a) et (b)). Cette
méthode permet de répartir la puissance de manière totalement uniforme à l’intérieur de la cavité.
3.2.7. Modélisation des ventilateurs
Les ventilateurs des serveurs informatiques servent à créer un flux d’air traversant, qui
maintient les composants en deçà d’une température critique. Selon l’étude d’APC [19], et fonction
des modèles de serveurs, les ventilateurs peuvent adopter différents comportements. Les serveurs
les plus anciens ne disposent pas d’algorithme de régulation. Le débit des ventilateurs sera donc
constant quelle que soit la température. Les équipements plus récents disposent d’un FSCA qui
modifie la vitesse des ventilateurs et l’adapte en fonction de la température des composants. Le
modèle simplifié de serveur présenté dans ce chapitre correspond à la première famille
d’équipement et la ventilation sera donc constante. Elle est traitée comme indiqué Figure 57 :
(a) (b)
Figure 57 : Schéma pénalisation de vitesse des serveurs simplifiés
La Figure 57(a) présente une vue en coupe du serveur informatique, dont une cloison latérale
est représentée en bleu. Celle-ci est située derrière les maillages de pression/température et de
vitesse affichés. Les traits noirs pleins horizontaux représentent les cloisons supérieures et
inférieures. La Figure 57 (b) présente une vue de face du serveur informatique dont les cloisons
sont représentées en trait plein noir. Sur les Figure 57 (a) et (b), les composantes de vitesse grisées
sont nulles à cause de la perméabilité appliquée avec le modèle de cloison précédemment décrit
(chapitre 3.2.5).
La vitesse d’air est considérée uniforme sur l’ensemble du volume du serveur et l’écoulement
est perpendiculaire à la surface de sortie (selon l’axe X3 dans le cas des Figure 57 (a) et (b)). Par
conséquent les composantes de vitesse selon les autres directions (en mauve) et situées à l’intérieur
de la cavité sont fixées à 0. Selon l’axe X3 une vitesse 𝑣
𝐼𝑇est calculée et appliquée à l’ensemble des
composantes à l’intérieur du serveur. L’équation de 𝑣 est la suivante :
Dans le document
Optimisation énergétique du rafraichissement des datacenters
(Page 81-88)