Veri Merkezlerinde CFD: Tasarımın İncelikleri

20yy.’ın ikinci yarısıyla beraber hayatımıza giren ve hızla yaygınlaşan bilgisayarlar ile 2000’li yıllarla beraber internetinde geniş kitlelere yayılması, depolama alanlarına ihtiyaç doğurmuştur. Eski bir deyimle artık tozlu raflarda, devasa odalarda depolanan fiziksel verilerin günümüzde minimal alanlarda depolandığını görüyoruz. Binlerce ciltlik kitapların yer aldığı kütüphanelerin küçük bir diskte yer aldığı dijital bir çağdayız. Özellikle son 10 yılda bu ihtiyaç daha da artmıştır. Cisco'nun 2020'de yayımladığı "Global Cloud Index" raporuna göre, 2016'dan 2021'e kadar küresel veri merkezi IP trafik hacmi yılda yaklaşık %27 oranında artmıştır. Bu veriye göre 4 yılda yaklaşık %260 oranında artmıştır. Bu gerçekten çok ciddi bir artışa tekâmül ediyor. Her geçen gün Veri Merkezi sektörünün yeni yatırımlarla büyüdüğünü göz önüne alırsak ve orta ölçekli bir veri merkezi maliyetinin de 100 Milyon Dolarları geçtiğini düşündüğümüzde hiçte küçümsenmeyecek bir pazar karşımıza çıkıyor.

Bu büyümeyle birlikte, veri merkezleri için tasarım yaparken dikkate alınması gereken pek çok faktör ortaya çıkıyor. Bu faktörlerin en önemlilerinden biri de akışkanların davranışlarıdır. İşte tam da bu noktada, mühendislerin başvurduğu bir araç devreye giriyor: CFD (Computational Fluid Dynamics).

CFD'nin tercih edilmesindeki en önemli nedenlerden biri de mühendislik hesaplarının doğruluğunu test etmek ve tasarım sürecinde doğru kararlar almak için sağladığı olanaklardır. Örneğin, gerçek deneylerin maliyetli ve zaman alıcı olabileceği durumlarda, CFD simülasyonları tasarım sürecini hızlandırır ve mühendislerin daha bilinçli kararlar almasını sağlar.

Peki CFD Nedir?

Şöyle basit bir örnekle başlasak yanlış olmaz sanırım. Günlük hayatta bile dışarı çıkmadan önce hava tahmin raporlarına bakarız. Ve hava yağmurluysa üzerimize waterproof bir elbise ve şemsiye alırız, çok soğuk bir hava varsa kalın bir elbise giyeriz veya güneşli sıcak bir hava var ise ona göre daha ince elbise tercihlerimiz olur. Yani ortama göre tercihlerimiz olur. CFD’de bize aslında tercihlerimiz hakkında bilgi veriyor.

Örneğin, bir veri merkezi tasarladığımızda, CFD simülasyonları sayesinde sistem salonunun mimari şekli, yerleştirilen ısı üreten IT cihazlarının konumu ve iklimlendirme sistemlerinin yerleşimi gibi detaylar incelenir. Bu sayede tasarımın optimize edilmesi ve olası sorunların önceden tespit edilmesi sağlanır.

 

CFD, yani "Computational Fluid Dynamics" (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği), bilgisayar simülasyonları ve sayısal analiz tekniklerini kullanarak akışkanların (sıvılar, gazlar) davranışlarını inceleyen bir alandır. CFD, karmaşık akışkan akışları, ısı transferi, kimyasal reaksiyonlar ve katı-akışkan etkileşimleri gibi konuları modeller ve simüle eder.  Günümüzde Havacılık ve Uzay Endüstrisi, Otomotiv Endüstrisi, Enerji ve İmalat endüstrileri gibi akışkanın etkili olduğu birçok sektörde tasarım aşamasında kullanılan CFD, Veri Merkezi Endüstrisinde de kullanılmaktadır Tasarım yaparken sistem salonunun mimari şeklinin, yerleştirdiğimiz ısı üreten IT cihazlarımızın ve onları ideal sıcaklığında tutmaya çalışan iklimlendirme cihazlarımızın konumlarının, kapasitelerinin tespitini simüle edebildiğimiz bir program. Yaptığımız tasarımda nerelerde hotspotlar olduğunu, nerelerde türbülanslar yaşadığımızı, soğutma kapasitemizin ürettiğimiz ısıyı absorbe edip etmeyeceğini, yaptığımız kapamalarda gerekli pozitif ve negatif basınçları sağlayıp sağlayamadığımızı, akışkan havanın nasıl yön aldığını henüz tasarım halindeyken görebildiğimiz bir simüle aracıdır. Kısaca CFD, gerçek deneylerin maliyetli ve zaman alıcı olabileceği durumlarda tasarım sürecini hızlandırabilir ve mühendislik çözümlerinin iyileştirilmesine olanak tanır. Oysa geçmişte yaptığımız mühendislik hesapları aylarca zamanımızı alabilirken ve yapılan hatadan dönüş olmazken, CFD sayesinde hem adam/gün kazancımız hem de yapılan imalatlarda oluşabilecek riskleri ön görerek tasarımımızı henüz baştayken kontrol etme imkanı sunuyor.

Aşağıdaki örneklerde de görebildiğimiz gibi bir sistem salonu tasarladığımızda hava akışının nasıl olduğunu pozitif/negatif basınçla nerelerde hava kaçağı olabileceğini, nerelerde ısıl yığılmanın olabileceğini ve bu yığılmaları nasıl çözebileceğimiz hakkında bize fikir veren analizleri görmekteyiz. Bu analizler bizlere tasarım noktasında ip uçları vermektedir. Yapmış olduğumuz bu örnekler, tasarım aşamasındayken nelerle karşılaşabileceğimizi veya var olan bir işletmede operasyon yürütüyorsak nerelerde iyileştirmeler yapabileceğimizi ve hesaplarımızı ona göre revize etmemiz gerektiğini göstermektedir. Tabiki bu örnek CFD’nin Veri Merkezlerinde kullanıldığı bölgelerden küçük bir örnekleme. Dış ünitelerin dizaynından, jeneratör dizaynına kadar her noktasında buna benzer simülasyonlar yapılabilir. Doğru veriyi doğru noktalarda hesaplayarak simüle etmek bizi gerçeğe en yakın sonucu verecektir.

Neden CFD ?

Üniversiteye başladığımızda ilk dersimiz olan Mühendisliğe Giriş dersinde ilk olarak öğretilen bir cümle aklıma geliyor. “Mühendis, hendese kökünden gelir, yani mühendislik demek hesap demektir.” Bu söz belki de meslek hayatım boyunca kulağıma küpe olmuş bir sözdür. İyi bir mühendis iyi bir hesap uzmanıdır. Duruma göre nicel ve nitel olarak hesaplamalar yapabiliriz ancak maliyeti yüksek ve dönüşü zor olan durumlarda nitel hesaplamalar yerine nicel hesaplamalar yapmak ve yaptığımız hesapların sağlamasını yapmak zorundayız. Bu yüzden teknolojinin bize sunduğu CFD benzeri simüle araçları kullanmak bize yaptığımız matematiksel hesapların doğru veya yanlış olduğunu göstermede çok yerinde bir araçtır.

Son olarak CFD kesin bir Çözüm olmasa da doğru bir Yol Göstericidir.

Yazar:  Halil İbrahim Geylan – Data Center Design and Operations Engineer - Bilgi Teknolojileri ve İletişim Kurumu (BTK)