Siemens Simcenter CFD: Leitfaden zur thermischen Simulation von Rechenzentren

ChampionXperience Team

30. Oktober 2026 7 Minuten Lesezeit

Wer sich in letzter Zeit mit Serverinstallationen mit hoher Dichte beschäftigt hat, weiß, dass sich die thermischen Anforderungen drastisch verändert haben. intel-Cluster erreichen Rackdichten weit über 30 kW – und Beschleunigerarchitekturen der nächsten Generation streben mehrere hundert Kilowatt pro Rack an. Daher ist die Kühlung der Hardware nicht mehr nur eine Frage des Betriebs, sondern eine zentrale Herausforderung für die Entwickler. Branchenzahlen zeigen, dass die Luftkühlung bei diesen extremen Leistungsstufen an ihre Grenzen stößt. Dies zwingt Ingenieure, Luftstrom und Wärmeabfuhr lange vor Baubeginn zu analysieren (Vaisala Thermal Analysis).

Der Bau einer Multi-Megawatt-Anlage auf Basis grober Wärmebilanzberechnungen birgt ein hohes Risiko teurer Überraschungen. Einfache Gleichungen zeigen zwar, ob die gesamte Wärmeerzeugung der gesamten Kühlleistung entspricht, vernachlässigen aber lokale Luftumwälzungen, Luftstromunterbrechungen und kritische Hotspots. Sobald der Beton gegossen und die Racks in Betrieb genommen sind, können Nachbesserungen in Millionenhöhe durch Nachrüstungen und Betriebsunterbrechungen notwendig werden, beispielsweise durch die Behebung von Luftstauzonen oder verstopften Kältemittelansaugungen.

Die thermische Simulation vor Baubeginn löst dieses Problem, indem sie Anlagenmechanikern, CAD-Konstrukteuren und Simulationsspezialisten umfassende physikalische Einblicke im Vorfeld ermöglicht. Durch die Nutzung des Siemens Simcenter Portfolios – insbesondere der 3D-CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) in Simcenter STAR-CCM+– lässt sich ein digitaler Zwilling Ihrer Rechenzentrale, Ihrer mechanischen Anlagen und der externen Umgebung erstellen, noch bevor ein einziger Server installiert ist. Originale Erkenntnisse und Workflows des Siemens Partners Applied CAx verdeutlichen, wie die Simulation in verschiedenen Maßstäben den Paradigmenwechsel von reaktiver Fehlersuche hin zu vorausschauender Planungssicherheit ermöglicht ( Siemens Simcenter Blog).

Beseitigung von Hotspots vor dem Betonieren

Bei der Planung eines modernen Serverraumbodens ist die Luftstromverteilung naturgemäß komplex. Doppelbodenplatten, Kabelrinnen, Deckenkonstruktionen und eine ungleichmäßige Serverrackdichte erzeugen verschlungene Luftwege, die sich mit einfachen 2D- oder 1D-Modellen nicht abbilden lassen.

Durch die Simulation des vollständigen 3D-Luftstroms mit Simcenter STAR-CCM+können Sie exakte Temperaturgradienten und Luftgeschwindigkeiten an jedem Reihen- und Rack-Einlass abbilden. Dieser Detailgrad ermöglicht Ihnen Folgendes:

Lokale Rezirkulation identifizieren: Lokalisieren Sie Bereiche, in denen heiße Abluft in kalte Gänge zurückströmt, bevor sie die Ansaugkanäle der Klimaanlage des Computerraums (CRAC) erreicht.
Optimierung der Containment-Strategien: Vergleich der Leistung von Warmgang-Containment (HAC) und Kaltgang-Containment (CAC) unter realistischen Druckabfällen.
Einlasstemperaturen prüfen: Sicherstellen, dass die an den empfindlichen Server-Frontplatten ankommende Luft über die gesamte Etage hinweg die thermischen Richtlinien von ASHRAE einhält.

Durch das Erkennen dieser Luftstromungleichgewichte während der 3D-CAD-Phase können Sie die Fliesenperforationen anpassen, CRAC-Einheiten neu positionieren oder den Reihenabstand ändern, indem Sie einfach per Drag & Drop in Ihrer Konstruktionsumgebung vorgehen, anstatt eine kostspielige Nachrüstung vor Ort vorzunehmen.

Belastungstests für Geräteausfälle und extreme Wetterbedingungen

Simulation von CRAC-Anlagenausfallzeiten ohne Hardwarerisiko

Wie verhält sich Ihr Kühlkonzept, wenn eine primäre Klimaanlage während der Spitzenlast ausfällt? Tests an der physischen Infrastruktur bedeuten, Server an ihren thermischen Grenzwerten zu betreiben und gleichzeitig die Kühlung absichtlich abzuschalten – ein Szenario, das kein Anlagenbetreiber bei der Inbetriebnahme auslösen möchte.

Mit 3D-CFD lassen sich Teil- oder Totalausfälle innerhalb von Sekunden simulieren. Durch das Abschalten einzelner Klimaanlagen in Ihrer Simcenter STAR-CCM+ Domäne beobachten Sie, wie benachbarte Anlagen den Luftstrom umverteilen, wie schnell sich Hotspots bilden und wie groß der Sicherheitsspielraum ist, bevor die Servereintrittstemperaturen die Schwellenwerte für die thermische Notabschaltung erreichen. Diese Daten liefern Entwicklungsteams exakte Spezifikationen für mechanische Redundanz und Notfallsteuerungssequenzen.

Bewertung der Platzierung von Dachkältemaschinen unter extremen Umweltbedingungen

Die Herausforderungen bei der Kühlung enden nicht an der Gebäudehülle. Dachluftgekühlte Kältemaschinen und Wärmetauscher werden maßgeblich von der Gebäudegeometrie, der vorherrschenden Windrichtung und der Wechselwirkung der Abgasfahne beeinflusst. Drückt der Umgebungswind heiße Abluft direkt in den Lufteinlass einer benachbarten Kältemaschine, sinkt deren Effizienz, das Risiko einer thermischen Abschaltung steigt und die Gesamteffizienz der Anlage verschlechtert sich.

Durch die Verknüpfung der CAD-Geometrie von Anlagen mit realen meteorologischen Standortdaten in Simcenter STAR-CCM+können Ingenieure Worst-Case-Wetterszenarien simulieren – beispielsweise hohe Umgebungstemperaturen in Verbindung mit ungünstigen Windgeschwindigkeiten und -richtungen. So lassen sich thermische Aufwinde um Dachgeräte visualisieren, der Abstand zwischen Kältemaschinen optimieren und die Abgase von Notstromaggregaten so positionieren, dass die heißen Abgase die Lufteinlässe der Kühltürme nicht verunreinigen.

Multiskalige Simulation: Chips mit Kälteanlagen verbinden

Die thermische Auslegung von Rechenzentren erstreckt sich über mehrere Größenordnungen. Sie benötigen Analysen im Mikromaßstab innerhalb des Servergehäuses, transiente Modellierungen auf Systemebene in den Rohrleitungsnetzen und vollständige 3D-CFD-Simulationen im Raummaßstab für den Serverraum. Die Verwendung des jeweils passenden Werkzeugs für jeden Maßstab gewährleistet kurze Rechenzeiten bei gleichzeitiger Gewährleistung der Auslegungsgenauigkeit über den gesamten Anlagenlebenszyklus hinweg.

Aktuelle Branchenforschung betont, dass die direkte Flüssigkeitskühlung auf dem Chip und Hybridarchitekturen eng integrierte, multiskalige Simulationsworkflows erfordern, um den thermischen Fluss auf Rack-Ebene mit der Fluiddynamik auf Anlagenebene in Einklang zu bringen (Data Center Dynamics Analysis).

Simulationswerkzeug	Primärer Modellierungsmaßstab	Wichtigste Anwendungen und Arbeitsabläufe	Design-Einblick geliefert
Simcenter Flotherm	Chip-, Platinen- und Serverebene	Detaillierte Platinenlayouts, Kühlkörper, SmartParts und Elektronikgehäuse	Verhindert die Überhitzung von Bauteilen; erstellt thermische Modelle reduzierter Ordnung (ROMs)
Simcenter Flomaster	1D Thermo-Fluid-Systeme	Hydronische Rohrleitungsnetze, Pumpen, Ventile und Kaltwasserverteilungskreisläufe	Dimensioniert Rohrnetze, berechnet Druckverluste und analysiert Druckstöße/Wasserschläge
Simcenter Amesim	1D Multi-Domain System Controls	Integrierte Anlagensteuerung, Kältemaschinen, Wärmespeicher und dynamische Betriebszyklen	Bewertet den dynamischen Energieverbrauch, die Steuerungslogik und den saisonalen Stromverbrauch (PUE)
Simcenter STAR-CCM+	3D-Anlage und Außenumgebung	Vollständige Rechenzentren, CRAC-Layouts, Dachkältemaschinen und konjugierte Wärmeübertragung (CHT)	Erfasst dreidimensionale Raumluftströmungen, beseitigt Hotspots und prognostiziert äußere Wettereinflüsse

Verknüpfung von 1D-Netzwerkgeschwindigkeit mit 3D-CFD-Genauigkeit

Sie benötigen kein komplexes 3D-Netz für jede Rohrleitung oder jedes Ventil in Ihrer Anlage. 1D-Netzwerklöser wie Simcenter Flomaster berechnen Flüssigkeitstransport und Druckverlust in komplexen Kreisläufen innerhalb von Sekunden. Durch die Verbindung von 1D-Systemnetzwerken mit thermischen Modellen reduzierter Ordnung (ROMs), die in Simcenter Flotherm, verknüpfen Sie die tatsächlichen Chiptemperaturen direkt mit der Hydraulik Ihres mechanischen Kühlkreislaufs.

Für ein umfassendes Energiemanagement in Ihrem gesamten Gebäude Simcenter Amesim Stromnetze, dynamische Kältemaschinen und intelligente Steuerungsalgorithmen. Diese mehrskalige Verknüpfung ermöglicht es Ihnen, das Ansprechverhalten von Pumpen mit variabler Drehzahl, Economizer-Umschaltungen und die Leistung von Wärmespeichern über ganze Jahreszeiten hinweg zu bewerten, ohne tagelang auf umfangreiche CFD-Simulationen warten zu müssen.

Umstellung auf Direkt-Chip- und Immersionskühlung

Da KI-Beschleunigerchips immer mehr Energie verbrauchen, stößt die herkömmliche Luftkühlung an ihre physikalischen Grenzen. Dies führt zu einer breiteren Anwendung fortschrittlicher Kühltechnologien. Dazu gehören direkt auf dem Chip befindliche Flüssigkeitskühlplatten (D2C), rückseitige Wärmetauscher und Immersionskühlsysteme.

Flüssigkeitskühlung kann deutlich mehr Wärme pro Volumeneinheit abführen als Luft. Das macht sie zu einer Schlüsseltechnologie für das Management thermischer Lasten in KI-Rechenzentren mit hoher Dichte.

Die Flüssigkeitskühlung bringt jedoch eigene Herausforderungen an die mechanische Konstruktion mit sich:

Gleichmäßige Kühlmittelverteilung: Sicherstellen, dass die Kühlmittelverteilungseinheiten (CDUs) und die Zuleitungsverteiler identische Durchflussmengen über Dutzende paralleler Kühlplatten verteilen.
Konjugierte Wärmeübertragung (CHT): Modellierung der multiphysikalischen Wärmeleitung von Siliziumchips durch thermische Schnittstellenmaterialien (TIM) und metallische Kühlplatten in zirkulierende flüssige Kühlmittel.
Dynamik von Zwei- und Einphasen-Immersionssystemen: Simulation der Flüssigkeitszirkulation, des Siedevorgangs und der Dampfkondensation in geschlossenen Flüssigkeitsbehältern.

Der Vorteil einer einheitlichen Simulationsstrategie liegt darin, dass Ihre Modellgrundlage erhalten bleibt. Simcenter STAR-CCM+ bewältigt Mehrphasenströmungsmechanik und komplexe Fest-Flüssig-Grenzflächen in Wärmepumpen nahtlos. Simcenter Flotherm analysiert Kühlplattenkanäle auf Elektronikebene. Simcenter Amesim modelliert die Pumpenleistung von Kühlaggregaten und sekundäre Kühlkreisläufe. Dieser integrierte digitale Zwilling unterstützt verschiedene Kühlarchitekturen, darunter Luftkühlung, direkte Flüssigkeitskühlung des Chips und Hybridsysteme.

Frühzeitiges Vertrauen in die Gestaltung aufbauen

Das Wärmemanagement ist nicht länger ein nachträglicher Gedanke, der erst in der Endphase der Inbetriebnahme von Rechenzentren berücksichtigt wird. Es ist vielmehr eine aktive Planungsdisziplin, die darüber entscheidet, ob eine Anlage skalierbar ist, ihre Verfügbarkeit aufrechterhält und über ihren mehrjährigen Lebenszyklus hinweg effizient arbeitet.

Durch die Kombination von Simcenter STAR-CCM+, Simcenter Flothermund 1D-System-Simulationswerkzeugen können Ingenieure frühzeitig im Entwicklungsprozess fundiertere Designentscheidungen treffen. Dieser Ansatz hilft, thermische Risiken zu identifizieren, Ausfallszenarien von Geräten zu testen und die Energieeffizienz zu verbessern. Er liefert zudem die notwendigen Erkenntnisse für die Entwicklung von Rechenzentren, die den steigenden Energiebedarf der nächsten Computergeneration decken können.

Wie geht Ihr Team mit dem Wärmemanagement bei hoher Dichte in Ihren aktuellen Projekten um? Erwägen Sie hybride Flüssigkeitskühlung oder setzen Sie weiterhin auf optimierte Lufteinschlüsse? Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren unten mit und folgen Sie ChampionXperience für tiefergehende Einblicke in die Technik, Tutorials und CAE-Workflows!