Lattice-Boltzmann-Methode bestätigt

Strömungen im Datacenter lassen sich in Echtzeit vorhersagen

| Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Müller / Dietmar Müller

Thermische Strömungssimulationen sind für die Kühlung von Rechenzentrumsmodulen wichtig.
Thermische Strömungssimulationen sind für die Kühlung von Rechenzentrumsmodulen wichtig. (Bild: Hans/Pixabay / CC0)

Thermische Strömungssimulationen untersuchen die Wärmeleitung, den Wärmeübergang und den thermischen Auftrieb. Dies alles ist etwa für die Kühlung von Rechenzentrumsmodulen ausschlaggebend – und angesichts massiver Racks durchaus herausfordernd. Eine neue Master-Arbeit hat nun ein Verfahren für die Echtzeitsimulation solcher Strömungen überprüft und für gut befunden.

Der Student Johannes Sjölund hat dafür im Forschungsrechenzentrum Rise Sics North in Luleå, Schweden, untersucht, ob die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM), eine Methode zur numerischen Strömungssimulation, auch für Gebäude wie Rechenzentren Gültigkeit hat. Er hat dafür eine Anwendung namens „Rafsine“ verwendet, das von Nicholas Delbosc an der University of Leeds entwickelt wurde.

Delbosc hatte 2015 in seiner Dissertation wichtige Vorarbeit geleistet und die These aufgestellt, dass die LBM für die Berechnung von Strömen im innerhäuslichen Bereich gute anwendbar ist. Dabei wurde die LBM unter Nutzung der „Nvidia Cuda“-Architektur auf Graphics Processing Units (GPUs) implementiert. Das Programm nutzte ein LBM-Modell namens Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) auf einem dreidimensionalen Gitter.

Neuartige Computerarchitekturen neue Simulations-Tools

„Das Ziel meiner Dissertation ist es, basierend auf neuartige numerische Modelle und neuartige Computerarchitekturen neue Simulationswerkzeuge zu entwickeln, die eine Echtzeit- und interaktive Simulation von Flüssigkeitsströmen ermöglichen, insbesondere von Luftströmen im Innenraum. Die Untersuchung, Vorhersage und Kontrolle der Luftströme im Innenraum ist von größter Bedeutung in den Ingenieurswissenschaften und reicht in viele Anwendungsbereiche hinein, etwa in die Klimaregulierung für den menschlichen Komfort oder in das thermische Management von Rechenzentren, in die Qualitätskontrolle der Luft in Reinräumen oder für Umgebungen mit hoher Ansteckungsgefahr wie in Krankenhäusern“, so Delbosc vor drei Jahren.

Sjölund bestätigte nun, dass die LBM tatsächlich geeignet ist, solche Strömungssimulationen anzustellen. Das thermische Modell, wie von Delbosc vorgestellt, konnte durch einen Vergleich mit Messungen von Sensoren, die im experimentellen Rechenzentrum montiert wurden, validiert werden. Die Vorhersage konnte mit einer Fehlerspanne von ± 1 Grad getroffen werden.

Um eine Strömungsvorhersage in Echtzeit durchzuführen, wurde Rafsine auf einem entfernten, vernetzten Server aufgespielt, der über Virtual Network Computing (VNC) angesteuert wurde. Sjölund konnte so auch demonstrieren, dass das Programm nicht nur auf Rechnern mit Nvidia-GPUs ausgeführt werden kann. Eine VNC-Verbindung mit VirtualGL für ein schnelles Streaming von Visualisierungsdaten sowie einige kleine aber notwendige Eingriffe in den Source Code von Rafsine würden für die Berechnung ausreichen.

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