風(fēng)道結(jié)構(gòu)對地板下送風(fēng)型數(shù)據(jù)中心氣流組織的影響(1)數(shù)值設(shè)計

,

(1 南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院 江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實驗室 南京 210042； 2 江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 南京 210019)

21世紀(jì)是網(wǎng)絡(luò)和信息的時代，數(shù)據(jù)處理需求的巨大增長極大地帶動了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展，相應(yīng)地能耗也急劇增加。2011年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量達700億kW·h，已占全社會用電量的1.5%。預(yù)計2017年我國數(shù)據(jù)中心的能耗量將超過1 000億kW·h，且大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)(PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗)仍普遍高于2.0[1]。而目前美國數(shù)據(jù)中心平均PUE值可達1.9，先進數(shù)據(jù)中心PUE已達到1.2以下[2-3]，我國數(shù)據(jù)中心能效水平與國際先進水平相比還存在較大的節(jié)能空間。同時，數(shù)據(jù)中心作為電力消耗的大戶已被社會高度關(guān)注，對其進行節(jié)能改造或建造高能效的數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗研究具有重要意義。

數(shù)據(jù)中心的運行能耗主要包括：供配電系統(tǒng)能耗、IT設(shè)備能耗和空調(diào)系統(tǒng)能耗，其中冷卻系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心運行能耗的45%，成為數(shù)據(jù)中心的主要能耗來源[4-6]。因此，降低冷卻系統(tǒng)能耗成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能研究的重點。數(shù)據(jù)中心內(nèi)高熱流密度設(shè)備多，單位面積散熱量大，設(shè)備全年全天候運行且對環(huán)境溫度有較嚴格的要求等[7-9]給冷卻系統(tǒng)提出嚴峻的考驗。對于數(shù)據(jù)中心這類全年都需要供冷的特殊場所，既要求室內(nèi)不能在設(shè)備工作區(qū)出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，以免損害設(shè)備的安全運行，又要合理設(shè)計氣流組織，不至于使得輸配能耗過高。由此可見，數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質(zhì)不僅對設(shè)備的安全運行至關(guān)重要，還直接關(guān)系到冷卻系統(tǒng)能耗，是整個數(shù)據(jù)中心換熱體系性能的綜合體現(xiàn)。

近年來，數(shù)據(jù)中心局部過熱現(xiàn)象不斷發(fā)生，為了保證設(shè)備安全穩(wěn)定的運行，國內(nèi)外學(xué)者在進行機房空調(diào)節(jié)能研究的同時，更多的集中在熱環(huán)境改善方面[10-12]。而數(shù)據(jù)中心局部過熱現(xiàn)象發(fā)生最主要的原因就是氣流組織不合理。氣流組織是冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，合理準(zhǔn)確的布局，對數(shù)據(jù)中心不同形式下的氣流組織進行分析和評價，優(yōu)化出合適的氣流組織形式，不僅有利于減少數(shù)據(jù)中心局部熱點產(chǎn)生，改善整體熱環(huán)境，還能提高冷量利用率，降低數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能的目的。

目前，數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案中，機架“面對面，背對背”的擺放形式已經(jīng)成為業(yè)界共識，架空地板下送風(fēng)、上回風(fēng)被廣泛采用[13]。對于架空地板的數(shù)據(jù)中心，地板下靜壓層內(nèi)的氣流組織在數(shù)據(jù)中心有效運作上起關(guān)鍵作用。因此改變氣流組織分布的關(guān)鍵是分析和優(yōu)化地板下靜壓層內(nèi)的流場。而對地板下靜壓層的壓力分布及流場形成的影響因素，主要包括：機房空調(diào)的位置及送風(fēng)速度、靜壓層的高度、穿孔地板的穿孔率和地板下障礙物的位置，如地板支架、電纜和管道等[14-20]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對這幾個影響因素的研究相對較多，但對數(shù)據(jù)中心冷、熱通道封閉情況下的研究還不夠充分和完善，且大多只是研究了單個因素對氣流組織的影響，各個參數(shù)綜合對數(shù)據(jù)中心氣流組織的影響模型不全面，更加沒有進行全面的分類討論和對比。此外，學(xué)者們均是以實際工程的數(shù)據(jù)中心作為研究對象，得到的結(jié)論不具有普適性。

大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)往往都是以排布奇數(shù)列或偶數(shù)列機柜的數(shù)據(jù)中心子模塊為基礎(chǔ)擴展而成[21]。本文以排布奇數(shù)列機柜的數(shù)據(jù)中心子模塊為研究對象，采取冷通道封閉，機房空調(diào)正向送風(fēng)、地板下送風(fēng)的氣流組織方案。由于單列機柜作為研究對象得到的結(jié)論不夠全面，3列奇數(shù)機柜含兩列偶數(shù)機柜模型，故本文以布置3列機柜的數(shù)據(jù)中心子模塊(以下簡稱數(shù)據(jù)中心)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值分析的方法研究了靜壓層高度、穿孔地板穿孔率對氣流組織的影響，并通過在靜壓層內(nèi)架設(shè)擋板進行再優(yōu)化，設(shè)計出地板下送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，冷通道封閉的數(shù)據(jù)中心子模塊模型。

1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計概況

本文選擇的數(shù)據(jù)中心尺寸為10 974 mm(長)×7 300 mm(寬)×2 500 mm(高，不含地板下靜壓層高度)。穿孔地板布置在機柜近側(cè)，尺寸為600 mm×600 mm。3列相同的機柜由上至下分別記為A、B、C，機柜尺寸為600 mm×1 100 mm×2 000 mm，機柜之間形成的冷、熱通道寬度為1 200 mm，兩邊機柜到邊界的距離分別為1 000 mm、600 mm，機房空調(diào)距離第一排機柜1 500 mm，最后一排機柜距離邊界1 200 mm，數(shù)據(jù)中心平面布置如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心平面布置Fig.1 Layout plan of the data center

2 數(shù)據(jù)中心模型的數(shù)值求解

數(shù)據(jù)中心地板下靜壓層的高度為300～700 mm，穿孔地板穿孔率為20%～60%[22]。由于本文采用地板下送風(fēng)、上走線方式，地板支架忽略不計，可以認為地板下沒有不利障礙物。本文通過數(shù)值模擬的方法，以100 mm作為靜壓層高度的變化步長，10%作為地板穿孔率的變化步長，兩大影響因素的各個參數(shù)值互相組合形成的25個模型進行數(shù)值求解。根據(jù)模擬結(jié)果，選擇冷通道平均溫度≤297.15 K，機柜無明顯局部過熱點的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型，得到靜壓層高度與穿孔地板穿孔率組合參數(shù)值的最佳范圍。通過對比數(shù)據(jù)中心機柜內(nèi)溫度場分布的均勻程度，得出該數(shù)據(jù)中心靜壓層高度與穿孔地板穿孔率組合的最佳參數(shù)值。若對比得到的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型內(nèi)溫度場仍存在不均勻度(見公式(1))，則在靜壓層內(nèi)架設(shè)不同角度的擋板來調(diào)整靜壓層內(nèi)的氣流組織分布，最終得到該數(shù)據(jù)中心子模塊的最優(yōu)氣流組織模型。

溫度不均勻系數(shù)：

(1)

數(shù)值設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心數(shù)值設(shè)計流程Fig.2 Flow chart of the data center numerical design

2.1 基本假設(shè)和物理模型

為了研究方便，本文首先對需要建立的數(shù)學(xué)模型做以下假設(shè)：

1)氣流為低速流動，視為不可壓縮流體，忽略由流體黏性力做功引起的耗散熱。

2)室內(nèi)空氣滿足Boussineq假設(shè)[23-25]：認為空氣流體密度的變化僅對動量方程中的浮升力產(chǎn)生影響，而且除浮升力項以外，密度均為常數(shù)。

3)為方便網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算，將機柜內(nèi)服務(wù)器設(shè)成熱流密度恒定的熱源，設(shè)定服務(wù)器的數(shù)量為4，并平均分配散熱量。

4)機柜的前、后門設(shè)置了一定開度的孔(開孔率為60%)，并簡化了機柜進、出風(fēng)口面板的阻力。

5)數(shù)據(jù)中心內(nèi)各壁面、架空地板及機柜面板、內(nèi)隔板設(shè)置為絕熱；忽略數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各個傳熱表面的熱輻射；門、窗、墻壁密封性良好，不考慮外界傳熱對數(shù)據(jù)中心的影響。

6)由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)冷負荷主要來自于服務(wù)器散熱，照明冷負荷相對很小，忽略這部分散熱。

7)在冷通道封閉情況下，冷通道內(nèi)送風(fēng)壓力明顯高于熱通道風(fēng)壓，不易導(dǎo)致反向滲風(fēng)，因此不考慮服務(wù)器內(nèi)部風(fēng)機的影響。

圖3所示為設(shè)計的數(shù)據(jù)中心物理模型，圖4所示為機柜服務(wù)器模型。

圖3 數(shù)據(jù)中心物理模型Fig.3 Physical model of the data center

圖4 機柜服務(wù)器模型Fig.4 Model of the cabinet sever

2.2 數(shù)學(xué)模型

由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的空氣流動屬于大空間的流動問題，且室內(nèi)空氣流動滿足Boussinesq假設(shè)，所以選用針對高雷諾數(shù)的湍流計算模型標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。數(shù)值模擬基于連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程。

對于不可壓縮流體，其直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程為：

(2)

動量方程為：

(3)

(4)

(5)

能量守恒方程為：

(6)

湍動能方程為：

(7)

湍動能耗散率方程為：

(8)

2.3 網(wǎng)格劃分

本文采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散，對機房空調(diào)的送風(fēng)口、回風(fēng)口、穿孔地板送風(fēng)口、機柜內(nèi)服務(wù)器及其正、背面進行網(wǎng)格加密。相鄰網(wǎng)格之間的最大變化率為2，所得的網(wǎng)格計算節(jié)點為1 232 876個，離散單元為1 191 544個。

將建好的數(shù)據(jù)中心數(shù)值模型導(dǎo)入Ansys Fluent中，采用SIMPLE壓力連接方程的半隱式求解離散方程組。

馮永孝(1993—)，男，江蘇徐州人，碩士生，研究方向為船舶運動控制。E-mail:1596532730@qq.com

2.4 初始條件和邊界條件

一般情況下，機房空調(diào)的送風(fēng)溫度都≤293.15 K。隨著送風(fēng)溫度的降低，機柜的冷卻效果越好，但能耗隨之增加[26]。本文的模擬研究中，選取291.15 K的機房送風(fēng)溫度。機房空調(diào)的進風(fēng)口、出風(fēng)口均采用風(fēng)扇邊界條件；機柜的正、背面均采用通風(fēng)口邊界條件；統(tǒng)一將穿孔地板的邊界條件設(shè)置為多孔階躍模型，不考慮穿孔地板的厚度，只設(shè)置一定的穿孔率與阻力系數(shù)；熱源采用體熱源邊界條件。模擬參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心初始條件、邊界條件設(shè)定參數(shù)

3 數(shù)值設(shè)計過程及分析

將Fluent數(shù)值計算得到的模擬結(jié)果導(dǎo)入Tecplot軟件處理后，得到各個數(shù)據(jù)中心氣流組織模型內(nèi)部的溫度場與速度場。由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的溫度分布與周圍空氣的運動密切相關(guān)，氣流速度的分布直接影響溫度場的分布，故僅列出溫度場進行對比分析，速度場不再贅述，機柜前門送風(fēng)速度場的對比分析可參見第二部分實驗驗證。圖5～圖9分別為不同數(shù)據(jù)中心模型中機柜內(nèi)溫度分布及Z=1.3 m截面的溫度分布，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別表示地板穿孔率為20%、30%、40%、50%、60%。

圖5 靜壓層高度300 mm不同穿孔率模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results for each model of different perforation rate and 300 mm plenum height in data center

圖6 靜壓層高度400 mm不同穿孔率模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results for each model of different perforation rate and 400 mm plenum height in data center

圖7 靜壓層高度500 mm不同穿孔率模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results for each model of different perforation rate and 500 mm plenum height in data center

圖8 靜壓層高度600 mm不同穿孔率模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results for each model of different perforation rate and 600 mm plenum height in data center

圖9 靜壓層高度700 mm不同穿孔率模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results for each model of different perforation rate and 700 mm plenum height in data center

由圖5～圖9可以看出，各個模型靠近空調(diào)機組的機柜都出現(xiàn)了不同程度的局部過熱現(xiàn)象，且冷通道前段的溫度相對較高。

穿孔地板的流動阻力及壓力損失可以從以下公式[27]獲得：

Δp=K(0.5ρV2)

(9)

根據(jù)大量實驗測量總結(jié)得到K的經(jīng)驗公式[28]為：

1.414(1-F)0.375)

(10)

對比相同地板穿孔率不同靜壓層高度下數(shù)據(jù)中心的溫度場，由于靜壓層高度的增加減少了送風(fēng)系統(tǒng)動壓和氣流振動，增加靜壓，所以隨著靜壓層高度的增加，機柜內(nèi)局部過熱面積逐漸減少，過熱點溫度明顯下降，冷通道內(nèi)的溫度差異性明顯縮小。當(dāng)靜壓層高度達到600 mm后，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的溫度變化不再明顯，趨于穩(wěn)定。

因此，根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷通道平均溫度≤297.15 K，機柜內(nèi)無明顯局部過熱現(xiàn)象的條件，應(yīng)在靜壓層高度600～700 mm，地板穿孔率20%～50%之間選擇最佳組合參數(shù)值。符合靜壓層高度與地板穿孔率的最佳組合參數(shù)值的氣流組織模型有：圖8(a)、(b)、(c)、(d)模型和圖9(a)、(b)、(c)、(d)模型。

對比圖8(a)、(b)、(c)、(d)數(shù)據(jù)中心氣流組織模型和圖9(a)、(b)、(c)、(d)數(shù)據(jù)中心氣流組織模型內(nèi)溫度分布的均勻程度、機柜內(nèi)的最高溫度及整體環(huán)境溫度。根據(jù)模擬結(jié)果可知，靜壓層高度600 mm，地板穿孔率20%的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型的機柜內(nèi)溫度分布較均勻，整體環(huán)境溫度較低。

從靜壓層高度600 mm，地板穿孔率20%的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型的溫度分布可以看出，B列前段機柜內(nèi)溫度分布仍存在不均勻度，且比后排機柜的溫度高。為使所有機柜都達到最佳冷卻效果，在最佳靜壓層高度和地板穿孔率的基礎(chǔ)上，在B列前段機柜下靜壓層內(nèi)架設(shè)一塊擋板作為有利障礙物以阻擋來流，促進地板下靜壓層內(nèi)壓力平衡，對靜壓層內(nèi)的氣流組織進行調(diào)整。以平行于數(shù)據(jù)中心長度方向為0°方向，偏向左邊即為負角度方向，架設(shè)擋板的角度變化范圍在-15°～45°，以15°作為擋板角度的變化步長，通過數(shù)值模擬得到擋板放置的最佳角度。圖10所示為架設(shè)擋板的數(shù)據(jù)中心物理模型。

將擋板角度分別為-15°、0°、15°、30°、45°的數(shù)據(jù)中心模型模擬得到的機柜內(nèi)最高溫度制成曲線圖，如圖11所示。

由圖11可以看出，無論擋板角度如何變化，B列機柜內(nèi)的最高溫度與C列機柜內(nèi)的最高溫度始終相同。當(dāng)擋板角度為15°時，A、B、C列機柜內(nèi)的最高溫度都最低，與未架設(shè)擋板的模型相比較，B列機柜的最高溫度下降了1 K，其他機柜溫度有微弱的下降。因此，在最優(yōu)靜壓層高度和地板穿孔率下，架設(shè)15°擋板可以使數(shù)據(jù)中心內(nèi)機柜冷卻效果最優(yōu)，氣流組織更合理。

圖10 架設(shè)擋板的數(shù)據(jù)中心模型Fig.10 Model of the data center with a partition under the floor

圖11 不同擋板角度下機柜內(nèi)的最高溫度Fig.11 Highest temperature of cabinets under different partition angles

4 結(jié)論

本文以布置有3列機柜的數(shù)據(jù)中心子模塊為分析實例，通過數(shù)值模擬設(shè)計出了一種地板下送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，冷通道封閉的數(shù)據(jù)中心子模塊。在數(shù)值設(shè)計的過程中，可以得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，本文數(shù)據(jù)中心推薦的靜壓層高度范圍為600～700 mm,穿孔地板穿孔率范圍為20%～50%。

2)當(dāng)數(shù)據(jù)中心機柜內(nèi)溫度分布仍存在不均勻度時，可以通過在靜壓層內(nèi)架設(shè)擋板作為有利障礙物對靜壓層內(nèi)氣流組織進行優(yōu)化。在600～700 mm的靜壓層高度范圍與20%～50%的地板穿孔率范圍的基礎(chǔ)上，數(shù)值設(shè)計出15°擋板角度作為最佳擋板位置使機柜冷卻效果達到最優(yōu)。

3)通過數(shù)值模擬設(shè)計出數(shù)據(jù)中心奇數(shù)列(3列為例)子模塊的最優(yōu)模型，且最優(yōu)模型是在送風(fēng)溫度為291.15 K的運行工況下得到的，變送風(fēng)溫度工況下的可行性還需要進一步的實驗驗證。

符號說明

ρ——空氣密度，kg/m3

u——x方向上的時均速度，m/s

v——y方向上的時均速度，m/s

w——z方向上的時均速度，m/s

x、y、z——直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)分量

μ——動力黏滯系數(shù)，Pa·s

t——時間，s

g——重力加速度，m/s2

p——時均壓強，Pa

T——溫度，K

α——熱擴散系數(shù)，m2/s

ε——湍動能耗散率，m2/s3

k——湍動能，m2/s2

V——穿孔地板附近的速度，m/s

K——流體流動的阻力系數(shù)

F——穿孔地板的穿孔率

本文受江蘇省教育廳高校自然科學(xué)基金(15KJD470001)項目資助。(The project was supported by the Higher Education Institutions of Jiangsu Province (No.15KJD470001).)

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