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Modélisation des ventilateurs

4. Serveurs informatiques « régulés »

4.5. Modélisation des ventilateurs

On peut distinguer deux parties distinctes dans la modélisation des ventilateurs : le modèle

aéraulique qui agit sur les vitesses d’air dans la simulation CFD, et le modèle énergétique, qui se

contente de calculer la puissance absorbée par le ventilateur. On note également que la

consommation d’énergie calculée de ce composant n’intervient pas dans le modèle CFD, elle est

déjà prise en compte dans la modélisation de la variation de puissance dissipée en fonction de la

température.

4.5 Modélisation des ventilateurs

Modèle Aéraulique

La méthode de simulation du flux d’air entrainé par l’action des ventilateurs dans le modèle

CFD est très similaire à celle utilisée dans le cadre du modèle de serveur « simplifié ». Elle est décrite

par les Figure 75 (a) et (b) ci-dessous :

(a) (b)

Figure 75 : Schéma pénalisation de vitesse des serveurs régulés

A l’intérieur du serveur, et sur la surface correspondant à sa sortie (Figure 75 (a), les

composantes de vitesse dans les directions X1 et X2 sont naturellement nulles en raison de la

perméabilité imposée d’une part par les cloisons (chapitre 3.2.5), d’autre part par le modèle de perte

de charge (chapitre 4.4). Concernant les composantes selon l’axe X3 entourant les nœuds de

pression positionnés sur la surface de sortie et repérés en bleu Figure 75 (a), leurs valeurs seront

imposées par un régulateur PID qui sera décrit dans le chapitre suivant. En effet, ces vitesses

évolueront pour maintenir une certaine température à la sortie du serveur informatique.

Finalement, les composantes de vitesse dans la direction de l’écoulement (X3) à l’intérieur du

serveur, prendront naturellement la valeur des composantes pénalisées en bleu. Ainsi un

écoulement monodirectionnel et uniforme est créé dans la cavité rectangulaire modélisant

l’équipement informatique. Ce flux d’air, combiné à la perméabilité, crée une dépression en amont

de la surface de sortie.

A partir du modèle CFD, il est nécessaire de relever 2 informations pour calculer la

consommation des ventilateurs :

le débit d’air traversant le serveur,

la perte de charge aux bornes du ventilateur

La vitesse de l’air qui traverse l’équipement informatique est variable au cours du temps. Le

débit 𝐷

𝐼𝑇𝑅

d’air devra donc être calculé à chaque itération en temps selon l’équation :

4 Serveurs informatiques « régulés »

Avec 𝐷

𝐼𝑇𝑅

le débit du serveur, 𝑢

𝐼𝑇𝑅

la vitesse d’air imposée par le régulateur et 𝑆

𝑐,𝐼𝑂

la surface

calculée à partir de la somme des volumes de contrôle situés sur la surface de sortie et représentés

en orange sur les Figure 75 (a) et (b).

Finalement la méthode suivante est appliquée pour calculer la perte de charge ∆𝑃

𝐼𝑇𝑅

aux bornes

du ventilateur :

Calcul de la moyenne des pressions relevées sur les nœuds situés sur la surface en amont

de la sortie et repérés en violet Figure 75 (a).

Calcul de la moyenne des pressions relevées sur les nœuds situés sur la surface en aval de

la sortie et repérés en rouge Figure 75 (a).

Calcul de la différence des moyennes pour obtenir la perte de charge ∆𝑃

𝐼𝑇𝑅

.

La partie aéraulique du modèle permet d’agir sur la simulation CFD de la salle des serveurs en

modifiant au cours du temps la vitesse de l’air traversant l’équipement informatique. De plus, pour

chaque itération en temps, le modèle calcule le débit d’air correspondant 𝐷

𝐼𝑇𝑅

et la perte de charge

associée ∆𝑃

𝐼𝑇𝑅

. Ces informations sont ensuite transmises au modèle énergétique.

4.5.1. Modèle énergétique

Un ventilateur est caractérisé par sa capacité à assurer un débit d’air en fonction de la perte de

charge aux bornes d’un système. En fonction de la qualité du moteur électrique, de sa taille, du type

d’hélice, etc. Ces caractéristiques varient d’un appareil à l’autre. Les fabricants fournissent donc les

spécificités de leurs équipements qui permettront aux ingénieurs responsables du design thermique

des serveurs de sélectionner le matériel approprié. Dans le cadre de cette étude, les ventilateurs

sélectionnés sont de type TARZAN DC TD48B1, conçus et fabriqués par la société COMAIR

ROTRON [53]. Des appareils similaires ont été utilisés par Almolie et al [6] dans son étude. Les

caractéristiques de cette machine sont fournies dans les tableaux et figures ci-dessous :

Figure 76 : Visualisation du ventilateur

Tableau 11 : Caractéristiques du TARZAN

DC

Specification électrique

AC/DC DC

Gamme de voltages acceptés 24 - 56 V Puissance nominal absorbé 33.6 W Courant en fonctionnement 0.7 A

courant rotor bloqué 1.5 A

Vitesse de rotation nominale 3275 tr/min

Spécifications mécaniques

Débit maximum @ ΔP=0 Pa 544 m3/h

4.5 Modélisation des ventilateurs

Figure 77 : Courbe de fonctionnement du serveur pour N=3275tr/min

Le ventilateur a été sélectionné pour sa capacité à faire varier sa vitesse. Le moteur de type

« brushless » accepte une régulation, et les modulations de débit s’effectuent en faisant varier la

tension. Le moteur absorbe une puissance de 33.6 W pour une vitesse de rotation nominale de

𝑁

𝑛𝑜𝑚

= 3 275 tr/min. La courbe de fonctionnement Figure 77 indique le débit d’air fourni en

fonction de la perte de charge pour la vitesse 𝑁

𝑛𝑜𝑚

. Ainsi dans un espace libre, sans ∆𝑃 aux bornes

du ventilateur, le débit maximum est de 544 m

3

/h. A l’inverse, si le potentiel de pression atteint

157 Pa, le débit d’air sera nul.

Afin de déterminer la puissance absorbée par le ventilateur lorsque sa vitesse varie, il est

nécessaire d’adapter le profil de la courbe de fonctionnement. Pour cela, nous utilisons les relations

fondamentales qui régissent le comportement des ventilateurs [54] :

𝑁

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

=

𝐷

𝑣𝑒1

𝐷

𝑣𝑒2

(

𝑁

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

)

2

= ∆𝑃

𝑣𝑒1

∆𝑃

𝑣𝑒2

(

𝑁

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

)

3

=𝑃

𝑣𝑒1

𝑃

𝑣𝑒2

(4.4)

Avec 𝑁

𝑖

la vitesse de rotation en tours par minutes [tr/min] entrainant un débit 𝐷

𝑣𝑒𝑖

en [m3/h]

pour une perte de charge ∆𝑃

𝑣𝑒𝑖

[Pa] aux bornes du ventilateur, et requérant une puissance électrique

𝑃

𝑣𝑒𝑖

.[W] Puis on considère que la courbe de fonctionnement Figure 77, peut être approximée par

un polynôme d’ordre 3 [6]. On obtient ainsi une équation de la perte de charge en fonction du

débit du ventilateur :

∆𝑃

𝑣𝑒𝑖

= 𝑎

1𝑣𝑒

𝐷

𝑣𝑒𝑖3

+ 𝑎

2𝑣𝑒

𝐷

𝑣𝑒𝑖2

+ 𝑎

3𝑣𝑒

𝐷

𝑣𝑒𝑖

+ 𝑎

4𝑣𝑒

(4.5)

Dans le cas du ventilateur Tarzan DC, les coefficients sont : 𝑎

1𝑣𝑒

= −9 × 10

−7

, 𝑎

2𝑣𝑒

=

0.0006, 𝑎

3𝑣𝑒

= −0.3503, 𝑎

4𝑣𝑒

= 156.35. Grâce aux relations de (4.4) et à l’équation (4.5) on peut

donc créer des courbes de fonctionnement pour différentes vitesses de rotation en posant :

approximation polynomiale

y = -9E-07x

3

+ 0,0006x

2

- 0,3503x + 156,35

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 0 100 200 300 400 500 600 P e rt e de cha rg e [ P a] Vitesse d'air [m3/h]

4 Serveurs informatiques « régulés »

∆𝑃

𝑣𝑒2

= 𝑎

1𝑣𝑒

(𝐷

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

𝑁

𝑣𝑒1

)

3

+ 𝑎

2𝑣𝑒

(𝐷

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

𝑁

𝑣𝑒1

)

2

+ 𝑎

3𝑣𝑒

(𝐷

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

𝑁

𝑣𝑒1

) + 𝑎

4𝑣𝑒

(4.6)

La Figure 78 illustre la relation ci-dessus en présentant différentes courbes de fonctionnement

pour plusieurs valeurs de 𝑁

𝑣𝑒

:

Figure 78 : Courbe de fonctionnement en fonction de la vitesse N

ve

Sur la Figure 78, la courbe correspondant à la vitesse de rotation nominale 𝑁

𝑣𝑒,𝑛𝑜𝑚

est

représentée en trait épais bleu. Les autres courbes sont des interpolations réalisées en fonction de

l’équation (3.1).

Le modèle aéraulique du ventilateur présenté au chapitre précédent, fournit le débit d’air requis

𝐷

𝐼𝑇𝑅

et la perte de charge correspondante ∆𝑃

𝐼𝑇𝑅

. Il s’agit donc maintenant de trouver la vitesse de

rotation 𝑁

𝑣𝑒,𝐼𝑇𝑅

qui correspond, afin de calculer l’énergie consommée selon la relation (3.7). C’est

ce que l’on appelle le point de fonctionnement. Toujours selon les relations de (4.4), il est possible

d’écrire :

∆𝑃

𝑣𝑒2

= ∆𝑃

𝑣𝑒1

(𝑁

𝑣𝑒1

𝑁

𝑣𝑒2

)

2

⁄ (4.7)

Puis en combinant les relations (4.7), (4.5) et (4.4), on définit l’équation suivante

∆𝑃

𝐼𝑇𝑅

=

𝑎

1𝑣𝑒

(𝐷

𝐼𝑇𝑅

𝑁𝑁

𝑣𝑒,𝑛𝑜𝑚 𝑣𝑒,𝐼𝑇𝑅

)

3

+ 𝑎

2𝑣𝑒

(𝐷

𝐼𝑇𝑅

𝑁𝑁

𝑣𝑒,𝑛𝑜𝑚 𝑣𝑒,𝐼𝑇𝑅

)

2

+ 𝑎

3𝑣𝑒

(𝐷

𝐼𝑇𝑅

𝑁𝑁

𝑣𝑒,𝑛𝑜𝑚 𝑣𝑒,𝐼𝑇𝑅

) + 𝑎

4𝑣𝑒

(𝑁

𝑛𝑜𝑚

𝑁

𝐼𝑇𝑅

)

2

(4.8)

Finalement, à partir de (4.8), on détermine la vitesse de rotation 𝑁

𝑣𝑒,𝐼𝑇𝑅

, correspondant au

couple ∆𝑃

𝐼𝑇𝑅

, 𝐷

𝐼𝑇𝑅

, pour enfin déterminer l’énergie électrique absorbée par le moteur à ce point

0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 700 P er te d e cha rg e [ P a] Débit d'ir [m3/h] 3275 4000 3500 2530 Débit d’air [m3 /h]

4.6 Algorithme de régulation PID