개요

이 문서는 문헌을 바탕으로 한 케이스 스터디입니다. 문헌에 보고된 실제 데이터센터의 형상·유량·발열 조건을 입력으로 재구성해 Boreas를 실규모에 적용했을 때의 주요 산출물을 제시하는 데 목적이 있으며, 문헌에 제시된 정보의 부족으로 정량 검증은 다루지 않습니다.

대상 데이터센터는 미국 매사추세츠에 위치한 약 690 m² 규모의 raised-floor 시설입니다. 기준 문헌에는 랙 151개, PDU 12개, 개구율 25%의 바닥 천공 타일 183개와 천장 배출 타일 42개가 제시되어 있습니다. 시설의 총 전력은 약 344 kW이며, 총 냉각 급기량은 152,000 m³/h입니다.

Boreas 모델은 기준 문헌의 비정형 평면 배치를 30.0 m × 22.2 m × 3.3 m 계산 영역에 재구성했습니다. 길이가 다른 랙 열, 독립 랙, PDU와 위치별 유량이 다른 바닥 급기구를 포함합니다.

각 랙은 흡기면에서 공기를 받아 지정 유량과 발열량을 적용한 뒤 반대쪽 배기면으로 내보내는 black-box recirculator로 처리했습니다. 151개의 랙은 재순환 경계가 정의되어 있으며, PDU는 단열 고체로 모델링했습니다.

Tian, W., VanGilder, J., Condor, M., Han, X., and Zuo, W. “An Accurate Fast Fluid Dynamics Model for Data Center Applications.”

Han, X., Tian, W., VanGilder, J., Zuo, W., and Faulkner, C. “An Open Source Fast Fluid Dynamics Model for Data Center Thermal Management.”

Pardey, Z. M., VanGilder, J. W., Healey, C. M., and Plamondon, D. W. “Creating a Calibrated CFD Model of a Midsize Data Center.” InterPACK-ICNMM 2015.

해석 대상 모델

기준 문헌의 평면도(Han et al.)에는 42U 및 45U 랙, 개구율 25%의 바닥 천공 타일과 PDU가 불규칙하게 배치되어 있습니다. 긴 랙 열과 짧은 랙 군이 혼재하며, 천공 타일의 개수와 위치도 통로마다 다릅니다.

기준 문헌(Han et al.)에 제시된 랙, 개구율 25%의 바닥 천공 타일 및 PDU 평면 배치. 회색은 42U 랙, 보라색은 45U 랙, 청록색은 천공 타일, 갈색은 PDU를 나타낸다.

Boreas 모델에서는 각 랙의 흡기면과 배기면 방향을 지정했습니다. 바닥 천공 타일은 급기 경계로 변환하고, 천장에는 42개의 배출 경계를 배치했습니다.

회색은 랙, 파란색은 랙 흡기면, 빨간색은 랙 배기면, 보라색 화살표는 랙 내부 유동 방향, 하늘색은 바닥 급기 경계, 연갈색은 천장 배출 경계를 나타낸다.

위 그림은 해석 모델 평면도입니다. 랙의 흡기·배기 방향, 바닥 급기구 위치, 천장 출구 위치 및 고체 장비 배치를 나타냅니다.

주요 해석 조건은 다음과 같습니다.

랙 통과 유량은 기준 문헌(Han et al.)과 동일하게 IT 발열량 1 kW당 212 m³/h로 설정했습니다. 총 랙 발열량 344 kW에 따른 전체 랙 통과 유량은 72,928 m³/h 입니다.

183개 바닥 천공 타일에는 위치별 급기 속도를 지정했습니다. 각 타일의 유량 합계는 기준 문헌의 총 냉각 급기량과 같은 152,000 m³/h 입니다.

정상상태 온도 분포

아래 그림은 수평 온도 단면을 나타냅니다. 랙 배치와 온도 상승 영역의 위치를 확인할 수 있습니다.

랙 형상과 수평 단면 온도 분포. 랙 배기면을 따라 고온 영역이 형성되고, 랙 흡기측과 주요 통로에는 낮은 온도의 공기가 분포한다.

고온 영역은 주로 랙 배기면에 집중됩니다. 랙 흡기측과 외곽 통로에는 상대적으로 낮은 온도가 분포하며, 랙 열의 길이와 방향에 따라 고온 영역의 형상이 달라집니다.

z = 1.67 m 수평 단면에서는 cold aisle의 저온 영역과 hot aisle의 고온 영역이 구분됩니다. 온도 범례는 20~40°C로 설정했습니다.

z = 1.67 m 수평 단면 온도 분포. 랙 배기면을 따라 고온 영역이 띠 형태로 나타나고, 랙 흡기측과 주요 통로에는 낮은 온도가 유지된다.

긴 랙 열에서는 배기면을 따라 연속적인 고온 영역이 형성됩니다. 독립 랙과 짧은 랙 군에서는 개별 배기면 주변에 국소적인 온도 상승 영역이 나타납니다. 랙 흡기측과 넓은 실내 영역은 주로 약 20~24°C 범위로 표시됩니다.

수직 단면에서는 바닥과 랙 하부의 저온 공기와 랙 배기측에서 상승하는 가열 공기의 분포가 나타납니다.

수직 단면에서 랙 배기측의 가열 공기가 상승하고 천장 방향으로 확산되는 온도 분포가 나타난다.

랙 배기측에서 배출된 고온 공기는 상부로 상승합니다. 상승하는 고온 기류의 위치와 확산 범위는 랙 열마다 다르게 나타나며, 천장 부근에는 랙에서 배출된 공기가 넓게 퍼진 고온 영역이 형성됩니다.

수평면과 여러 수직면을 함께 표시하면 고온 영역의 평면 위치와 높이 방향 분포를 동시에 비교할 수 있습니다.

수평면과 수직면을 함께 표시한 온도 분포. 랙 배기면에서 시작된 온도 상승 영역이 랙 상부와 천장 방향으로 이어진다.

정량 결과 — 랙 흡기/배기 온도

전체 151개 랙의 유량가중 평균온도를 분석한 결과, 흡기온도는 20.0020.64°C, 배기온도는 30.4633.95°C 범위에 분포했습니다. 아래 그림은 이 중 R001~R010의 결과를 제시합니다.

R001R010의 유량가중 흡기·배기 온도. 흡기온도는 약 20°C로 유지되며, 배기온도는 약 3134°C 범위로 나타난다.

R001R010의 흡기온도는 약 20°C로 거의 일정했습니다. 배기온도는 R001R005에서 약 31°C, R006~R010에서 약 34°C로 나타나 두 그룹 사이에 약 3°C의 차이가 발생했습니다.

전체 랙 가운데 최저 흡기온도는 R006에서 20.00°C로 나타났으며, 최고 흡기온도는 R012에서 20.64°C로 나타났습니다. 배기온도는 R146에서 30.46°C로 가장 낮았고, R041에서 33.95°C로 가장 높았습니다. 전체 흡기온도 편차는 0.64°C였으며, 배기온도는 랙에 따라 3.49°C의 범위를 보였습니다.

유동장 — Cold aisle 급기 흐름

3차원 스트림라인에서는 랙 주변의 저온 유동과 배기측에서 가열된 유동의 이동 경로가 나타납니다.

스트림라인을 온도로 표시한 결과. 저온 유선은 랙 흡기측 주변에 분포하고, 가열된 유선은 랙 배기측과 상부 공간으로 이동한다.

랙 배기측의 가열 공기는 상부로 상승한 뒤 천장 부근과 외곽 공간으로 확산됩니다. 또한 랙 열의 끝단에서는 배기 공기가 통로 바깥을 돌아 흡기측으로 이동하는 재순환 유동이 나타납니다.

정리

이 케이스 스터디는 Boreas를 실제 규모 데이터센터의 냉각 기류 평가에 적용했을 때 얻을 수 있는 주요 결과를 보여줍니다.

• 수평·수직·다중 단면을 이용한 전역 온도 분포 분석
• 랙 흡기측과 배기측의 온도 분포 비교
• 랙별 흡기·배기 온도 산출
• 랙 배기측과 상부 공간의 고온 영역 확인
• 랙 상부 상승류, 랙 열 끝단 우회 유동 및 외곽 순환 경로 분석
• 랙 배치와 급기 조건에 따른 냉각 성능 비교에 활용

Boreas 해석은 상세 CFD 해석에 앞서 냉각 성능이 낮을 가능성이 있는 구역과 추가 검토가 필요한 운전 조건을 선별하는 데 활용할 수 있습니다.