數(shù)據(jù)中心機(jī)房CFD仿真模型的構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

陳翼翔

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系，湖南 長(zhǎng)沙410100）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房安放了大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)、通信設(shè)備等設(shè)備，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的熱，為了確保這些設(shè)備的正常工作，必須對(duì)它們進(jìn)行充分的冷卻，每一個(gè)發(fā)熱單元都必須依據(jù)本身的產(chǎn)熱量，獲得一個(gè)相匹配的冷量［1］。因此，數(shù)據(jù)中心內(nèi)冷氣流須要有適當(dāng)?shù)姆植迹簿褪抢淇諝獗仨殱M足任意位置的計(jì)算機(jī)設(shè)備的需求，成為保障設(shè)備正常工作的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)，依賴于對(duì)氣流分布的基礎(chǔ)機(jī)制的理解［2］。

當(dāng)前中外研究者普遍采用CFD模擬技術(shù)和儀器實(shí)測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的氣流組織進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)［3～8］，取得了良好的輔助設(shè)計(jì)效果。

本文基于真實(shí)工程案例，借鑒文獻(xiàn)及非數(shù)據(jù)機(jī)房CFD 模擬的成功經(jīng)驗(yàn)［9，10，14］，以提高模型仿真度為原則，以最終提高模擬精度為目標(biāo)，構(gòu)建了相對(duì)精確的數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)機(jī)和數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜的模型，并經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，為此機(jī)房設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供了依據(jù)。8.5 m×11 m，層高4.2 m。機(jī)房?jī)?nèi)共安裝機(jī)柜43個(gè)，機(jī)柜內(nèi)擺放的通訊設(shè)備型號(hào)基本一致，每個(gè)機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備發(fā)熱量基本一致，都在1.2 k W左右。機(jī)房平面及機(jī)柜、空調(diào)機(jī)安放位置見(jiàn)圖1。

由于受限于建筑的構(gòu)造，空調(diào)機(jī)整齊擺放于房間一側(cè)，經(jīng)按國(guó)家、行業(yè)規(guī)范計(jì)算，機(jī)房需要制冷量61 k W，設(shè)計(jì)上采用完全相同的三臺(tái)額定制冷量為31 k W的機(jī)房專用空調(diào)機(jī)。基于電信行業(yè)的規(guī)范要求，運(yùn)行上采用二用一備方式，以保證空調(diào)系統(tǒng)整體可靠性，并根據(jù)業(yè)主已采購(gòu)設(shè)備的客觀條件，設(shè)計(jì)為上送下回式機(jī)房專用空調(diào)機(jī)。

1 工程簡(jiǎn)介

該數(shù)據(jù)中心機(jī)房位于長(zhǎng)沙市某通信綜合樓，屬于無(wú)人值守機(jī)房，門窗經(jīng)過(guò)二次封閉，房間內(nèi)空尺寸為

圖1 機(jī)房布置平面圖

2 模型簡(jiǎn)化及相關(guān)假設(shè)

2.1 單個(gè)機(jī)柜模型簡(jiǎn)化

文獻(xiàn)［4］中對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜的模型有過(guò)論述，本文汲取其精華，并依據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)備及機(jī)柜的外形、運(yùn)行原理的特點(diǎn)，更為真實(shí)、精確地構(gòu)建模型。

機(jī)柜正面為通風(fēng)孔板制作的機(jī)柜門，柜外空氣可以進(jìn)入機(jī)柜；機(jī)柜背面一般是將數(shù)據(jù)設(shè)備裸露；本案例中，機(jī)柜實(shí)際尺寸為0.96 m×0.6 m×2 m，外形如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜正面（左）與背面（右）圖

置于機(jī)柜內(nèi)的數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)殼正面有通風(fēng)孔，數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)熱由內(nèi)部機(jī)芯的電子器件在運(yùn)行中產(chǎn)生；機(jī)殼背面排列降溫風(fēng)扇和接線端，如圖3所示。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，室外氣流由降溫風(fēng)扇從機(jī)殼正面的通風(fēng)孔吸入，流經(jīng)機(jī)芯，帶走機(jī)芯產(chǎn)生的熱量，從機(jī)殼后部排出。

圖3 數(shù)據(jù)設(shè)備背面風(fēng)扇及接線端

基于上述特點(diǎn)，在建立模型時(shí)，將數(shù)據(jù)設(shè)備及機(jī)柜簡(jiǎn)化，機(jī)柜正面采用與通風(fēng)孔板的實(shí)際通風(fēng)面積相同的豎向縫隙；機(jī)柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱機(jī)芯簡(jiǎn)化為一個(gè)發(fā)熱六面體，發(fā)熱量為柜內(nèi)設(shè)備的總發(fā)熱量（1.2 k W）；機(jī)柜背面設(shè)置2個(gè)風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇的風(fēng)量為柜內(nèi)設(shè)備降溫風(fēng)扇風(fēng)量總和的二分之一；機(jī)柜其余地方按照實(shí)際尺寸，并實(shí)現(xiàn)全密封，如圖4所示。

2.2 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)模型簡(jiǎn)化

文獻(xiàn)［3～8］中對(duì)機(jī)房空調(diào)設(shè)備進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，其出風(fēng)口設(shè)置為定量定壓送風(fēng)口，回風(fēng)口為自由溢流的通風(fēng)洞口，大多數(shù)沒(méi)有設(shè)置為單獨(dú)物體，而是直接在墻的邊界上開(kāi)有壓回風(fēng)口和自由溢流的通風(fēng)洞口，此模型適用于單臺(tái)空調(diào)機(jī)的機(jī)房模擬，但是在多臺(tái)空調(diào)機(jī)同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)下，各回風(fēng)口外的風(fēng)壓不等，如果采用自由溢流的通風(fēng)洞口，則各臺(tái)空調(diào)機(jī)的回風(fēng)量勢(shì)必會(huì)不等；但是實(shí)際上單臺(tái)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的送風(fēng)量和回風(fēng)量是始終相等的，所以本文將機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的送風(fēng)口采用定量定壓送風(fēng)口，回風(fēng)口亦采用定量定壓的回風(fēng)風(fēng)扇。

圖4 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜模型

本案例中的上送下回式機(jī)房專用空調(diào)機(jī)，送風(fēng)口設(shè)置于機(jī)器上部，底部側(cè)向送風(fēng)，回風(fēng)口設(shè)置于機(jī)器下部，側(cè)向回風(fēng)，長(zhǎng)寬高尺寸為1.4 m×0.89 m×2.6 m，如圖5所示。

圖5 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)實(shí)物圖

本文將機(jī)房專用空調(diào)機(jī)外形簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)際尺寸的六面體，如圖6所示。

圖6 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)模型

2.3 機(jī)房及群組機(jī)柜模型簡(jiǎn)化

機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)8.5 m×11 m×4.2 m的六面體，各墻體模型均設(shè)置為沒(méi)有厚度，為模擬夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量，根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算定義了墻體模型對(duì)室內(nèi)的散熱量。

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置了3臺(tái)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)，并根據(jù)三臺(tái)空調(diào)機(jī)遵循二用一備的原則，僅保留了2#空調(diào)機(jī)的實(shí)物模型，但刪除其送回風(fēng)口，此空調(diào)機(jī)僅作為機(jī)房?jī)?nèi)影響氣流組織的物體而存在；還依據(jù)實(shí)際機(jī)房情況設(shè)置了43個(gè)機(jī)柜模型；在排列機(jī)柜模型時(shí)，取消重疊的機(jī)柜側(cè)壁的模型，其余模型保持不變，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)機(jī)房群組模型

2.4 相關(guān)假設(shè)和數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)空氣視為不可壓縮、連續(xù)、穩(wěn)定的流動(dòng)，并符合Boussineq假設(shè)；忽略空氣中污染物的影響。

數(shù)值模擬采用雷諾平均法（RANS）中的渦黏模型，利用零方程模型來(lái)處理雷諾應(yīng)力項(xiàng)，該模型是指不使用微分方程，而用代數(shù)關(guān)系式，把湍動(dòng)粘度與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)的模型。它只用湍流的時(shí)均連續(xù)方程（1）和Reynolds方程（2）組成方程組，把方程組中的Reynolds應(yīng)力用平均速度場(chǎng)的局部速度梯度來(lái)表示。

采用有限容積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散，差分格式為混合格式。網(wǎng)格的劃分采用多重網(wǎng)格劃分法。用SI MPLE算法進(jìn)行壓力和速度的解耦，以避免不合理壓力及速度場(chǎng)的出現(xiàn)。為考慮溫差引起的浮升力影響，采用Boussinesq假設(shè)。

2.5 網(wǎng)格劃分及收斂標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)格生成對(duì)CFD計(jì)算至關(guān)重要，直接關(guān)系到CFD計(jì)算的成?。?0］，質(zhì)量高的計(jì)算網(wǎng)格應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)［11，12］：網(wǎng)格在求解域內(nèi)的疏密變化應(yīng)與被求變量的梯度變化相適應(yīng)；整個(gè)求解域內(nèi)的單元變化是光滑的進(jìn)行；單元的扭曲度較小，單元的寬高比不大于5：1。

根據(jù)本數(shù)據(jù)機(jī)房的幾何尺寸，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域劃分步長(zhǎng)不大于機(jī)房實(shí)際尺寸的1／20。X軸方向的最大尺寸為：Max X size＝0.3605；Y軸方向的最大尺寸為：Max Y size＝0.21；Z軸方向的最大尺寸為：Max Z size＝0.55。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，其網(wǎng)格的質(zhì)量報(bào)告為：

NODES：286237

HEXAS：271048

QUADS：76880

Faces＋solids：814

Co mputing element quality（f ace align ment）...

Range：0.370522－＞1

Total fl uid vol u me is 367.656 m＾3

One r oo m－change per hour＝vol u me flow rate of 0.102126666666667 m＾3／s

由于機(jī)房和各空調(diào)機(jī)、各數(shù)據(jù)設(shè)備和機(jī)柜都簡(jiǎn)化成六面體，所以模型建立在笛卡爾坐標(biāo)系下，采用控制容積離散方法將微分方程離散成代數(shù)方程。將微分形式離散成代數(shù)形式的過(guò)程中采用上限差分格式，采用多重網(wǎng)格劃分法。對(duì)整個(gè)控制方程的求解采用SI MPLE算法［13～15］，在每一次迭代結(jié)束后進(jìn)行下一輪迭代之前，所賦的新值采用欠松弛方法，以此加強(qiáng)非線性耦合方程迭代求解的穩(wěn)定性。本次模擬速度變量松弛因子取0.3；壓力項(xiàng)的松弛因子取0.7；紊流動(dòng)能和紊流耗散能的松弛因子取0.1；其它變量的松弛因子取1.0。在求解的過(guò)程中，判斷各個(gè)變量收斂的標(biāo)準(zhǔn)也不相同，見(jiàn)表1。

表1 各方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)

3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 計(jì)算結(jié)果

上機(jī)計(jì)算到460多次的時(shí)候，達(dá)到各方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)，Air pak自動(dòng)結(jié)束運(yùn)行，得出結(jié)果，如圖8。

圖8 模式一殘差曲線圖

經(jīng)導(dǎo)出，各剖面矢量圖、溫度云圖清晰有序，以機(jī)房專用空調(diào)機(jī)出風(fēng)口中心高度Y＝2.3 m處剖面為例顯示如圖9、圖10；以機(jī)柜上部風(fēng)扇中心高度Y＝1.54 m處剖面為例顯示如圖11、圖12。

圖9 Y＝2.3 m剖面矢量圖

圖10 Y＝2.3 m剖面溫度云圖

圖11 Y＝1.54 m剖面矢量圖

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖12 Y＝1.54 m剖面溫度云圖

為證實(shí)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了手持式Testo405－V1溫度、風(fēng)速測(cè)量?jī)x對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試部位包括兩臺(tái)運(yùn)行中的空調(diào)機(jī)出風(fēng)口、各數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜上下風(fēng)扇出風(fēng)口86個(gè)點(diǎn)，共計(jì)88個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)試時(shí)，將儀器探頭部分貼近空調(diào)出風(fēng)口、風(fēng)扇出風(fēng)口中部，距離風(fēng)口、風(fēng)扇本體1 c m；并使探測(cè)杠垂直于出風(fēng)方向；依據(jù)儀器敏感度控制測(cè)試時(shí)間，以測(cè)試3 s之內(nèi)的溫度平均值為測(cè)試值。

對(duì)空調(diào)機(jī)出風(fēng)口2個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。從表中可以看出，對(duì)兩臺(tái)空調(diào)機(jī)出風(fēng)口溫度測(cè)試結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相差不大，誤差均在3%以內(nèi)。

表2 空調(diào)機(jī)出風(fēng)口測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

圖13和圖14分別為數(shù)據(jù)設(shè)備上、下部風(fēng)扇出風(fēng)溫度的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)溫度的測(cè)試值和模擬值均能較好的吻合，其中第十一號(hào)機(jī)柜下部風(fēng)扇模擬值與測(cè)試值相差2.12℃、7.8%，第二十號(hào)機(jī)柜上部風(fēng)扇模擬值與測(cè)試值相差2.06℃、6.5%，說(shuō)明本文所用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房氣流組織特性和環(huán)境參數(shù)的模擬是可行的。

圖13 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜上部風(fēng)扇出風(fēng)溫度的模擬值與測(cè)試值對(duì)比

圖14 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜下部風(fēng)扇出風(fēng)溫度的模擬值與測(cè)試值對(duì)比

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，構(gòu)建了仿真的長(zhǎng)沙市某數(shù)據(jù)中心機(jī)房CFD模型，并驗(yàn)證了：

（1）精確地依據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的真實(shí)尺寸、部件特性，進(jìn)行模型構(gòu)建，模擬結(jié)果更接近實(shí)際運(yùn)行情況。

（2）數(shù)據(jù)設(shè)備本身所帶的排熱風(fēng)扇作為機(jī)房?jī)?nèi)氣流構(gòu)成者，對(duì)其進(jìn)行精確模型構(gòu)建，模擬結(jié)果才具有指導(dǎo)意義。

（3）機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的回風(fēng)口設(shè)置為定量定壓的模型，才能使得模擬回風(fēng)量等于真實(shí)風(fēng)量。

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