Simcenter Flomaster
提供了全面的模擬工具集來幫助設計、調試和運行熱流體系統。
Flomaster 是一維的計算流體力學 (CFD) 軟體，針對流體機械及管流問題進行建模及分析，特別適合於複雜系統的早期研究使用。它準確且快速的計算核心可以用來研究整個流體系統的效能，包括壓力的波動，溫度值及流量結果。也可以讓系統工程師了解設計變更 (元件尺寸改變及選用) 及操作條件對整理系統的影響。
更多訊息 : Siemens - Flomaster
Flomaster 是一維的計算流體力學 (CFD) 軟體，針對流體機械及管流問題進行建模及分析，特別適合於複雜系統的早期研究使用。它準確且快速的計算核心可以用來研究整個流體系統的效能，包括壓力的波動，溫度值及流量結果。也可以讓系統工程師了解設計變更 (元件尺寸改變及選用) 及操作條件對整理系統的影響。
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為何選擇 Simcenter Flomaster？
Simcenter Flomaster 提供全面的模擬工具集來幫助您設計、調試和運行熱流體系統。它可以連接 PLM、CAD、模擬和工業物聯網，助您快速實現數位化轉型。 熱流體系統模擬加速產品上市 Simcenter Flomaster 是適用於流體工程的先進模擬工具，提供可靠、準確的求解器和優秀的內置相關性。這意味著您可以高效調整氣相、液相及兩相系統和元件的規模以盡可能地提高效率。借助相同的虛擬模型，您可以對不同運行環境、故障和緊急情況等變化多端的事件進行分析以確保安全。 設計、調試和運行熱流體管道系統 Simcenter Flomaster 提供全面的模擬工具集來幫助您設計、調試和運行熱流體管道系統。這意味著，在虛擬傳感和線上監測運行期間可以重用在工程階段開發的系統數位孿生來提高效率並確保安全。Simcenter Flomaster 可以連接到包括 PLM、CAD、模擬和工業物聯網 (IoT) 在內的其他相關工具和平臺，助您快速實現數位化轉型和創新。 |
可通過建模和分析複雜管道系統，在降低運營成本的同時，確保複雜熱流體管道系統的安全，無論其規模和複雜性如何。
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1. 系統集成
Simcenter 系統集成全生命週期（從早期設計到運營階段）內的各種模擬工具。這樣即可支援您應對數字連續性挑戰，提高工作流和多部門協作的效率。 Simcenter 系統支援與產品生命週期管理 (PLM) 系統和幾何資料的連接、 1D 和 3D CAE 工具之間的協同模擬、設計空間探索、基於模型的控制開發以及通過功能模型介面 (FMI) 實現的多系統交互。 |
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FLOEFD 與 Flomaster 耦合分析
2. 熱流體系統模擬
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優化熱流體系統的效率，確保其始終安全運行。有了 Simcenter 系統，您可以對任意規模和複雜度的熱流體系統的動態特性執行模擬，分析對於安全高效運行而言至關重要的複雜物理現象，並在運行階段重用數位孿生系統進行即時監控，實現至高效率和安全性。
Simcenter 系統支援您調整和平衡工業氣體系統、工廠冷卻系統、朗肯迴圈發電系統、船用壓載系統或大型分配系統和管道，同時降低成本，加快產品上市。 |
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3. 熱流體系統早期設計
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在設計階段的早期模擬任意規模和複雜性的熱流體系統，縮短產品上市時間並降低成本。自動導入幾何資料（P&ID、CAD 或 GIS）來創建模型，運用精確的靜態求解器，以快速選型和平衡系統，從而節省時間。高級後處理功能説明您對系統特性一目了然，在應用更改時識別問題，並盡可能地降低對成本的影響。
至優求解器和內置相關性保證模擬結果的準確度。得益於基於 Miller 資料的大型元件庫，即一套採集自工業規模級鑽機上的高精度真實測量結果，歷經眾多用戶多年的實戰驗證，助力您制定明智的早期設計和採購決策。 |
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4. 熱流體系統的詳細設計
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保證熱流體系統在任何應用場景下的安全高效運行。得益於快速、可靠且經過嚴格測試的瞬態求解器，您可以對任意規模和複雜性的熱流體系統的動態特性執行模擬。在瞬態分析的詳細設計中重用您在設計階段早期用於系統和元件選型的同一套模型。這樣即可保證整個工程階段中模型和資料的連續性。
您可以分析系統在泵故障、應急閥門關閉、注油、排汙和排氣等關鍵情況下的動態特性。該模型將複雜現象納入考量，例如壓力波動、管線儲氣、塑膠管粘彈、氣穴、堵塞和氣體完全壓縮。 |
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5. 熱流體系統工程的高級物理特性
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分析複雜的物理現象，這對於確保熱流體系統的安全高效運行很關鍵。高級物理特性和功能可用於精確模擬非牛頓流體和兩相流的非線性特性。您可以對旋轉機器（例如燃氣輪機）中的複雜流路執行建模，充分考慮旋轉對流體流動的影響。
在開發流程中，全部功能都會經過理論結果和公共文獻的嚴格測試，確保結果的準確性和一致性。這樣您就可以遊刃有餘地在熱流體系統的全生命週期中使用數位孿生，以瞭解其特性、優化性能並確保安全性。 |
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6. 推進系統模擬
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採用多物理場系統模擬方法，可應對各種架構和技術需求。例如，不論是汽車領域的動力總成電氣化、航空航太行業中可重用的運載系統，還是船舶行業對代用燃料 (LNG) 的使用，Simcenter 的建模功能都能夠為這些技術的實施提供支援。
通過在單個平臺上執行一次全面的跨系統影響分析，您將能夠設計和評估推進系統對各種指標的影響，如機載發電或車輛污染物排放。 |
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7. 熱流體系統的維護，維修和操作
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在全生命週期內運用熱流體系統的數位孿生盡可能地提高投資回報率。您可以重用在工程階段創建的模型並將其作為可執行的數位孿生，為採購、調試和運行提供有效支援。
執行基於成本的設計優化，盡可能地減少資本和運營支出，有力支持採購運營。在構建系統之前，將熱流體系統的數位孿生連接到虛擬可程式設計邏輯控制器，以驗證它們在安全的虛擬環境中的交互。最後，通過工業物聯網將可執行的數位孿生連接到真實的系統感測器和控制器，即可增加操作員的可用資訊，以盡可能地提高系統操作的效率和安全性。 |
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案例一 : Iceotope KUL AI 浸沒式液冷伺服器背後的模擬技術探索
（一）KUL AI 8-GPU伺服器
2024 年 11 月 12 日精密液體冷卻（Precision Liquid-Cooling）的全球領導者 Iceotope 宣佈推出 KUL AI 8-GPU 新解決方案，承諾可在任何地方提供 AI 服務。
（一）KUL AI 8-GPU伺服器
2024 年 11 月 12 日精密液體冷卻（Precision Liquid-Cooling）的全球領導者 Iceotope 宣佈推出 KUL AI 8-GPU 新解決方案，承諾可在任何地方提供 AI 服務。
KUL AI 8 GPU Gigabyte™ G293 伺服器專為支援 GPU 密集計算而設計，集成 Iceotope 精密液體冷卻技術，是 Iceotope 迄今為止集成的最強大伺服器。具體有以下優點：
以上摘自官方網站的產品整理介紹為我們揭示了 KUL AI 8 GPU 伺服器在性能與可靠性方面的卓越追求。我們從中可以清晰地看出：精密冷卻技術無疑是 KUL AI 8 GPU 伺服器能夠實現“既要...又要...還要...更要...”這一系列高標準要求的關鍵保證。
- KUL AI 讓 AI 無處不在
- KUL AI 提供性能和可持續性優勢
- KUL AI 在一系列 IT 和非 IT 環境中提供資料中心級性能
以上摘自官方網站的產品整理介紹為我們揭示了 KUL AI 8 GPU 伺服器在性能與可靠性方面的卓越追求。我們從中可以清晰地看出：精密冷卻技術無疑是 KUL AI 8 GPU 伺服器能夠實現“既要...又要...還要...更要...”這一系列高標準要求的關鍵保證。
那麼，精密冷卻技術中的精密究竟是如何實現的呢？這背後涉及到一系列複雜而精細的設計與工藝創新。
（二）原理性設計
精密液體冷卻（即單相浸沒式冷卻）核心是每個伺服器主機殼內設計的介電冷卻液循環系統。少量介電冷卻液通過主機殼內分流歧管精確輸送到伺服器關鍵發熱器件，如 CPU/GPU/NVME/E1.S/DIMM 等，通過出液頭流到散熱器表面，經散熱器對流換熱帶走關鍵發熱器件產生的熱量。流經散熱器的冷卻液通過合理的結構佈局導流入其它器件進一步帶走熱量。浸沒式微流泵以一定速度驅動熱冷卻液進入板式換熱器冷卻後再次返回分流歧管。板式換熱器將伺服器產生的熱量傳遞給二次側冷卻水系統，二次側冷卻水系統由 CDU 控制冷卻水系統的流量、壓力、化學成分和溫度，確保伺服器內外迴圈動態平衡運行。
（二）原理性設計
精密液體冷卻（即單相浸沒式冷卻）核心是每個伺服器主機殼內設計的介電冷卻液循環系統。少量介電冷卻液通過主機殼內分流歧管精確輸送到伺服器關鍵發熱器件，如 CPU/GPU/NVME/E1.S/DIMM 等，通過出液頭流到散熱器表面，經散熱器對流換熱帶走關鍵發熱器件產生的熱量。流經散熱器的冷卻液通過合理的結構佈局導流入其它器件進一步帶走熱量。浸沒式微流泵以一定速度驅動熱冷卻液進入板式換熱器冷卻後再次返回分流歧管。板式換熱器將伺服器產生的熱量傳遞給二次側冷卻水系統，二次側冷卻水系統由 CDU 控制冷卻水系統的流量、壓力、化學成分和溫度，確保伺服器內外迴圈動態平衡運行。
（三）1D+3D CFD 驅動的設計實現
為實現對冷卻液流速與溫度的精確調控，必須精心設計冷卻液的流通路徑與管路佈局，以構建出既高效又可靠的循環系統。在此過程中，需精確權衡液體流量、泵功率消耗、散熱器規格以及流動結構等核心因素，同時，還需確保伺服器內的循環系統與 CDU 冷卻水系統在 IT 負載波動時能夠動態匹配。面對時間、成本、品質等多重研發挑戰，Iceotope 在液冷伺服器的深入探索與研發中，率先採用 1D+3D CFD 耦合分析技術來加速產品的開發與設計驗證進程。
接下來結合早期 Iceotope 技術分享，探討介紹如何借助 Simcenter Flomaster（1D CFD ）和 Simcenter FLOEFD（3D CFD）實現伺服器精密冷卻設計。
為實現對冷卻液流速與溫度的精確調控，必須精心設計冷卻液的流通路徑與管路佈局，以構建出既高效又可靠的循環系統。在此過程中，需精確權衡液體流量、泵功率消耗、散熱器規格以及流動結構等核心因素，同時，還需確保伺服器內的循環系統與 CDU 冷卻水系統在 IT 負載波動時能夠動態匹配。面對時間、成本、品質等多重研發挑戰，Iceotope 在液冷伺服器的深入探索與研發中，率先採用 1D+3D CFD 耦合分析技術來加速產品的開發與設計驗證進程。
接下來結合早期 Iceotope 技術分享，探討介紹如何借助 Simcenter Flomaster（1D CFD ）和 Simcenter FLOEFD（3D CFD）實現伺服器精密冷卻設計。
- 1D 系統快速設計
基於內置的真實流阻特性試驗資料或企業資料，熱設計工程師可通過參數化設計變數的方式修改管路佈置、管徑、管長、水泵流量-揚程、板換結構尺寸（疊片數量、寬、高等）、散熱器功率，並以穩態計算方式（秒級計算速度）快速完成各出液頭處的流量精准分配計算，水泵、板換、散熱器精確選型設計。對於IT負載變化情況下水溫控制，熱設計工程師還可通過瞬態計算方式完成系統內各處溫度、壓力、流量監測與水泵調節方法研究，確保任意工況下滿足散熱功率需求的同時最小化泵與換熱器尺寸，實現空間節約。
- 3D 部件詳細設計
（四）倍增的開發速度
受限於計算規模問題，伺服器級的整機 3D CFD 模擬在工程實踐中難以實施。如 Iceotope 所示，採用 1D Flomaster 來進行整機系統級類比，3D FLOEFD 進行部件級類比成為了工程上既實用又可行的解決方案。此外，FLOEFD 與 Flomaster 具有多種方式的直接耦合介面，支援單向或雙向耦合，這使得 1D+3D CFD 耦合變的更為簡單高效。案例中散熱器等定型後通過 SBC 直接將 3D 模型轉換為 1D 模型，以此方式定制積累模型庫，不僅可以提升系統模擬精度和還可顯著提升設計速度。
受限於計算規模問題，伺服器級的整機 3D CFD 模擬在工程實踐中難以實施。如 Iceotope 所示，採用 1D Flomaster 來進行整機系統級類比，3D FLOEFD 進行部件級類比成為了工程上既實用又可行的解決方案。此外，FLOEFD 與 Flomaster 具有多種方式的直接耦合介面，支援單向或雙向耦合，這使得 1D+3D CFD 耦合變的更為簡單高效。案例中散熱器等定型後通過 SBC 直接將 3D 模型轉換為 1D 模型，以此方式定制積累模型庫，不僅可以提升系統模擬精度和還可顯著提升設計速度。
案例二 : Iceotope 利用 Simcenter Flomaster 設計世界首個 1U 浸沒式液冷伺服器
01 背景
在現代資料中心裡，每部署一個千瓦級的計算能力設備，可能需要超過幾百瓦的冷卻功率來支持它。相比傳統空氣冷卻來說，液冷具有冷卻能力強、能量消耗少和好管理的優點，已成為高性能計算中心冷卻設計的首要選擇和發展趨勢。
本文分享 Iceotope 利用系統模擬工具 Simcenter Flomaster 開展世界首個 1U 浸沒式液冷伺服器 KU:L 系統優化設計的案例 (Iceotope 是英國資料中心與邊緣計算精密液冷技術知名供應商，早年前已引入 Flotherm，FLOEFD 和 Flomaster 以三維和一維相結合的方式開展浸沒式液冷技術研發)。
01 背景
在現代資料中心裡，每部署一個千瓦級的計算能力設備，可能需要超過幾百瓦的冷卻功率來支持它。相比傳統空氣冷卻來說，液冷具有冷卻能力強、能量消耗少和好管理的優點，已成為高性能計算中心冷卻設計的首要選擇和發展趨勢。
本文分享 Iceotope 利用系統模擬工具 Simcenter Flomaster 開展世界首個 1U 浸沒式液冷伺服器 KU:L 系統優化設計的案例 (Iceotope 是英國資料中心與邊緣計算精密液冷技術知名供應商，早年前已引入 Flotherm，FLOEFD 和 Flomaster 以三維和一維相結合的方式開展浸沒式液冷技術研發)。
02 案例介紹
液冷設計難點
該液冷系統需要輸送冷卻劑到機架級和伺服器級各主要熱源處，需要確保每個部件具有足夠的冷卻劑輸送，但是又不能過度的輸送。過度的輸送會增加硬體成本和運行能耗成本，因此需要精確設計流量分配並選擇合適的泵。Iceotope 研發人員採用系統模擬工具 Flomaster 來快速解決這些問題。
解決方案
為了能夠有效利用計算資源和節省執行時間，Iceotope 通過使用“數位孿生”概念確保能夠在更寬範圍的設計場景中檢查多個變數，實現最優的系統和部件設計。對於液冷泵選型設計，利用 Flomaster 建立如圖1所示的伺服器級液冷系統模型，並以此確定系統中一系列潛在流量下的壓力損失（系統阻力曲線）。
液冷設計難點
該液冷系統需要輸送冷卻劑到機架級和伺服器級各主要熱源處，需要確保每個部件具有足夠的冷卻劑輸送，但是又不能過度的輸送。過度的輸送會增加硬體成本和運行能耗成本，因此需要精確設計流量分配並選擇合適的泵。Iceotope 研發人員採用系統模擬工具 Flomaster 來快速解決這些問題。
解決方案
為了能夠有效利用計算資源和節省執行時間，Iceotope 通過使用“數位孿生”概念確保能夠在更寬範圍的設計場景中檢查多個變數，實現最優的系統和部件設計。對於液冷泵選型設計，利用 Flomaster 建立如圖1所示的伺服器級液冷系統模型，並以此確定系統中一系列潛在流量下的壓力損失（系統阻力曲線）。
圖1 KU:L 刀片伺服器級 Flomaster 冷卻系統模
通過 DOE 功能定義設計空間探索並批次處理運行模擬，生成如圖2所繪製的系統阻力曲線。通過與泵的流量揚程曲線進行匹配分析，研發人員可根據流量需求和每個泵的額定功率來優化水泵選型。
圖2 KU:L系統刀片伺服器系統流阻曲線 vs 泵揚程曲
在開發原型機證明了“數位孿生”的概念之後，研發人員通過使用 Flomaster 來進行數值計算、系統調節和流量平衡，以便使足夠量的冷卻劑被輸送到伺服器內每一個主要熱源處，並且不會過度的輸送。
除了平衡刀片伺服器內的流量外，還用 Flomaster 來平衡資料中心機架各個伺服器的流量。研發人員建立一個“系統的系統”，在每個階段進行流量平衡，確保機架中的每個 1U 伺服器有足夠的冷卻劑流量，從而使得系統設備尺寸能夠達到最小化，同時確保系統中的溫度是可接受的，如圖3所示。
除了平衡刀片伺服器內的流量外，還用 Flomaster 來平衡資料中心機架各個伺服器的流量。研發人員建立一個“系統的系統”，在每個階段進行流量平衡，確保機架中的每個 1U 伺服器有足夠的冷卻劑流量，從而使得系統設備尺寸能夠達到最小化，同時確保系統中的溫度是可接受的，如圖3所示。
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圖3 機架級 Flomaster 冷卻系統模
應用液冷設計方案可能會涉及大量的冷卻劑消耗和更高的洩露率，通過使用 Flomaster 設計系統可以很好的預防洩露。如設計一個管路輸送冷卻劑到機架伺服器主機殼內，而不會產生任何的壓力波動，也不會在接頭處產生任何應力，這樣可以從伺服器內直接消除洩漏，如圖4所示。該方案還可以很好地減少冷卻劑浪費，也是資料中心運維管理的理想選擇。
圖4 Flomaster 預測的伺服器移除引起的相對壓力峰值變
03 總結
本次 Iceotope 案例從系統角度重點介紹了利用 Flomaster 指導伺服器浸沒式冷卻及機架冷卻設計的方法，與此同時 Iceotope 還使用 Flotherm / FLOEFD 三維 CFD 方法進一步優化伺服器和機架詳細結構設計。兩種方法相結合，各取所長，宏觀微觀互補，有效地解決了伺服器級、機架級到資料中心級多尺度、多顆粒度、多複雜度冷卻設計問題。
本次 Iceotope 案例從系統角度重點介紹了利用 Flomaster 指導伺服器浸沒式冷卻及機架冷卻設計的方法，與此同時 Iceotope 還使用 Flotherm / FLOEFD 三維 CFD 方法進一步優化伺服器和機架詳細結構設計。兩種方法相結合，各取所長，宏觀微觀互補，有效地解決了伺服器級、機架級到資料中心級多尺度、多顆粒度、多複雜度冷卻設計問題。
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