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數據中心氣流組織的數值研究
  • 運用CFD方法對數據中心機房內的氣流組織進行了研究,分別對單個機柜和整體機房進行了不同工況下的模擬,并提出了高熱密度工況下的氣流組織方案,為優化數據中心內的氣流組織設計,降低數據中心的PUE指標提供了依據。

    數據中心具有散熱量大、散濕量小、空調送風量大,并對空調系統的可靠性要求極高等特點。不僅對溫度,濕度,潔凈度有較高要求,而且對溫度場的分布也有很高的要求。
      
      對數據中心進行氣流組織設計的主要目的是為了使室內的溫度、濕度、空氣質量、空氣流速等指標符合工藝的要求,滿足空氣分布特性(ADPI)的要求。而且與一般的空調系統不同,由于數據機房散熱量十分巨大,機房內結構,布局,設備發熱量不均勻,而且對其中的每一臺設備都有嚴苛的溫濕度要求。因此,做好數據中心的氣流組織設計對整個機房的空調設計至關重要,同時也是空調設計的難點,往往通過傳統的理論分析和方程推導是很難全面了解數據機房內的氣流組織情況。為了更加有效地對數據中心內的氣流組織進行分析及優化,目前主要采用CFD(計算流體動力學)方法進行模擬研究。
      
      1 氣流組織模擬的基本設定
      
      數據中心內的空氣流動在經過一段時間后達到穩態,流態包括層流和湍流,為自然對流和強迫對流的混合流動;室內空氣為低速粘性的不可壓縮流體,且滿足Boussinesq假設,即在自然對流中,除了動量方程中的浮力項中的密度是溫度的函數外,其他所有求解方程中的密度均假設為常數。

    根據以上設定,數據中心機房內的空氣流動與對流傳熱的控制方程可以寫成如下形式:

    通用控制方程中各符號的具體形式見表1。
      
      2 單機柜氣流組織的模擬
      
      當空調機組和和設備發熱的負荷相匹配的時候,決定冷卻效果的主要因素就是對機柜的氣流組織。實際應用中常常發生冷量與負荷匹配但冷熱不均的,冷卻效果不佳的情況,造成某些服務器局部過熱而宕機。傳統的機房送風方式主要有兩種,一是上送下回式;二是下送上回式。
      
      首先采用CFD軟件對單個機柜的情況進行模擬,以某數據中心項目為基本設定條件。取單個機架尺寸為1.0m×0.6m×2.2m,機柜功耗為6kW,送風口回風口的尺寸都為0.6m×0.6m,并在機柜的一側設置了一個風扇模型,模擬機柜內散熱風扇的作用,如圖1,對兩種主要的送風方式進行模擬分析。
      
      設置兩個模型的進口速度均為2m/s,排風口為壓力出口,進行六面體網格的生成如圖2所示:采用一階差分格式,并選用合適的松弛因子進行計算,得到的溫度場分布如圖3所示,可以發現在同樣的送風量、風速、的條件下,下送上回方式的溫度分布具有明顯的優勢,而上送下回方式方式中的溫度分布很不合理,不僅有超過45℃的區域出現,而且機柜內的溫差較大。
      


      在速度場分布的兩張圖中也可以看出,采用下送上回方式,在機箱內的流線分布非常均勻,除了機柜最下部的速度偏小之外,整個機柜內在x方向上的速度幾乎是均勻的,而上送下回方式在x方向上的速度分布很不均勻,上部明顯偏小,下部越來越大,造成機柜內溫差較大,局部溫度超限;而且在機柜頂部形成了一個明顯的漩渦,對整個機房內的氣流組織非常不利。
      
      通過以上對模擬結果的分析,可以得出,傳統的上送下回方式并不能很好的適應數據機房的特點,應采用下送上回方式對數據中心機房進行氣流組織方式。
      
      3 機房整體氣流組織的模擬
      
      選取典型的數據機房模塊進行模擬,機柜尺寸為1.0×0.6m,四個一列放置,兩列機柜之間的地面上有1.2m寬的送風通道,稱為冷通道,機柜陣列的另一側的天花板上設置回風口,稱為熱通道,寬度也是1.2m,送風平均速度設定為2m/s。一種模型為冷熱通道不隔離,另一種為冷熱通道隔離,隔離板厚度為0.1m,如圖5所示,

    分別用兩種模型進行模擬計算,結果如圖6-圖9所示,可以明顯看出在冷熱通道隔離的情況下,數據機房內的氣流組織更加合理,機柜散熱效果更好,但仍有很小的一部區域超過45℃的溫度限值,但此部分區域位于機柜最下方不裝設服務器,故不影響整體散熱效果。
      
      

    4 數據機房內氣流組織的優化
      
      當前主要的數據中心單個機柜的功率密度在3kW-6kW的數量級的范圍內,采用下送上回的冷熱通道方式基本上可以滿足機柜散熱的需要,但是當功率密度超過6kW時,這種方式也無法很好的滿足機柜的散熱需要了。假設機柜的發熱功率增加一倍,加大到每個機柜12kW(每臺機柜的尺寸為1.2×0.6×2m),一列機柜四臺總共48kW的發熱量,其他條件不變的情況下進行模擬,得到的溫度場分布如圖10所示,可見有大量區域超過45℃,機柜內的最高溫度甚至達到74.5℃,遠不能滿足冷卻機柜的需要。
      
      在不改變幾何條件和機柜發熱量的情況下,為了達到工藝需要的冷卻效果,可以增加送風量,將送風口的風速增大50%,達到3m/s,進行模擬,得到的溫度分布如圖11所示,可見在不改變氣流組織的情況下,即使增大風量50%的情況下仍遠不能滿足機柜散熱量較大時的需要因此在不大量增加送風量的情況下,就需要更好的利用氣流組織來滿足機架的散熱需要。在原有冷熱通道的基礎上,可以在機柜的下部直接開出送風口,而頂部直接開出風口,讓氣流更加有效的在機柜內流動,其原理如圖12所示。
      
      

    按照圖12的原理建立模型,仍然設定機柜發熱功率為12kW,平均送風風速為2m/s,經過計算,由于增加了機柜底部的送風口,增加風量僅為27.7%,而這種氣流組織的效果卻遠優于單純增加冷通道送風量的方法,如圖13~14所示,可以明顯看出在優化的氣流組織的條件下,溫度場分布非常理想,機柜內的溫度基本在30℃一下,而且分布比較均勻,速度場在機柜內的分布也較為均勻,非常好的滿足了發熱功率較大的情況。
      
       

     對于發熱量更大情況,則可以通過CFD模擬進行分析,選用高架活化地板,液冷散熱系統,甚至直接蒸發式散熱系統。
      
      5 結束語
      
      通過CFD模擬,我們可以得到復雜流場內各個位置上的速度,溫度,壓力等的分布等情況。通過對以上幾種典型的數據中心進行CFD模擬分析,得出以下結論:
      
      ①在數據中心的設計中,應優先考慮采用下送上回的送風方式,并注意采用合理的氣流組織滿足機柜散熱的需要。
      
      ②對單機柜功耗為6kW~10kW的機柜,在1.2m冷通道的前提下,單純增加送風量,提高空氣流速已不能很好地消除機柜的發熱量,需要采用局部制冷或者擴大冷通道結合機柜內送風等方式來進行散熱。
      
      ③當單機柜功耗超過6kW時,需要用專門CFD模擬軟件進行模擬,以驗證所采取的空調方案是否可行。
      
      CFD模擬技術可以幫助我們更好地設計空調系統,優化氣流組織,以較小的能耗滿足工藝散熱的需要,提高設備運行的可靠性,幫助我們對不同發熱量級別的數據中心合理地選擇空調方案。
      
      參考文獻
      
      [1]孫研.通信機房節能綜合解決方案[J].電信工程技術與標準化,2006年第6期:P26-29
      
      [2]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用.北京:清華大學出版社2004.9
      
      [3]肖劍春.通訊機房空調氣流組織模擬及參數調節[M].黑龍江.哈爾濱工業大學.2008.
      
      [4]魏蕤,簡棄非,楊蘋.空調布局對數據機房內熱環境影響的試驗與仿真研究[J].暖通空調,2010,40(7):91-94.
      
      個人簡介
      
      代銳,男,生于1982年5月,2010年6月畢業于北京郵電大學管理科學與工程專業,獲工學博士學位。2010年6月至今就職于國家計算機網絡應急技術處理協調中心,任職期間承擔該單位數據中心建設任務。
      
      劉俊賢,男,生于1988年8月,2011年6月畢業于西安科技大學通信與信息系統專業,獲工學碩士學位。2011年7月至今就職于國家計算機網絡應急技術處理協調中心,任職期間承擔該單位數據中心建設任務。
      
      編輯:Harris
      

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