流體力學(xué)仿真在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析

丁晨光

摘 要：計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，以下簡(jiǎn)稱CFD）是20世紀(jì)60年代起伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起的學(xué)科。CHAM公司在80年代推出了計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)的首個(gè)商業(yè)化軟件PHOENICS。在其版本不斷更新的同時(shí)，新的通用軟件如FLUENT、STAR-CD、CFX等也相繼問(wèn)世。CFD通用軟件以其模擬復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的強(qiáng)大功能、人機(jī)對(duì)話式的界面操作以及直觀、清晰、流場(chǎng)的顯示引起了數(shù)據(jù)中心行業(yè)的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：CFD 流體力學(xué)仿真 數(shù)據(jù)中心 系統(tǒng)優(yōu)化 節(jié)能技術(shù)

中圖分類號(hào)：O368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-0-02

通信設(shè)備需要在嚴(yán)格的環(huán)境保障中運(yùn)行，IDC機(jī)房中的設(shè)備對(duì)環(huán)境的依賴程度就更高。機(jī)房空調(diào)要完成對(duì)機(jī)房溫度、濕度、潔凈度和氣流速度等環(huán)境參數(shù)的控制，確保機(jī)房環(huán)境達(dá)到通信設(shè)備的要求。溫度、濕度都是以氣流作為載體的，氣流就是機(jī)房空調(diào)對(duì)環(huán)境保障最直接的表現(xiàn)形式。良好的氣流組織，不僅可以節(jié)能，更能確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

以下就CFD仿真在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)、改造等應(yīng)用中的案例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 某機(jī)房設(shè)計(jì)階段CFD應(yīng)用

1.1 機(jī)房概況

機(jī)房機(jī)柜按照冷熱通道隔離原則擺放，機(jī)房設(shè)計(jì)采用地板下送風(fēng)+冷通道封閉，自然回風(fēng)的氣流組織設(shè)計(jì)，熱氣流受到空調(diào)回風(fēng)口負(fù)壓影響，被抽回空調(diào)進(jìn)行冷卻；冷卻后的冷空氣通過(guò)地板下部的空調(diào)出風(fēng)口進(jìn)入機(jī)房活動(dòng)靜電地板下，冷空氣在活動(dòng)防靜電地板下形成冷氣流正壓靜壓層，通過(guò)布置在機(jī)柜前端的通風(fēng)地板進(jìn)入冷通道，形成穩(wěn)定的二次正靜壓，再?gòu)臋C(jī)柜正面進(jìn)入機(jī)柜，給服務(wù)器降溫。

為了更加直觀地了解機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織情況，合理使用冷量，本設(shè)計(jì)方案依據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)中心冷卻規(guī)律，從節(jié)能和充分利用精密空調(diào)能量的角度，并借助專業(yè)的氣流組織分析軟件進(jìn)行模型建立，驗(yàn)證該機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織設(shè)計(jì)的合理性。

1.2 CFD仿真優(yōu)化

進(jìn)行氣流組織計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)該機(jī)房左側(cè)空調(diào)負(fù)載較其他空調(diào)高。其中一臺(tái)達(dá)到90kW，1臺(tái)達(dá)到104kW，而右側(cè)空調(diào)負(fù)載率基本處于70～80kW之間，較為均衡。

造成此狀況的原因是機(jī)房南側(cè)空調(diào)分布較不均勻，左側(cè)兩臺(tái)空調(diào)長(zhǎng)期在此狀態(tài)下運(yùn)行，易加快設(shè)備老化，增加能耗、故障率及維護(hù)成本。采用分布更加均勻的空調(diào)布放方式，具體方案為改11臺(tái)（9用2備）100kW空調(diào)為12臺(tái)（10用2備）90kW空調(diào)，其中新增一臺(tái)空調(diào)設(shè)置于機(jī)房西南側(cè)。優(yōu)化方案和原方案主用空調(diào)總制冷量均為900kW，針對(duì)本項(xiàng)目借助氣流組織分析軟件對(duì)比如表1所示。

對(duì)比CFD仿真分析以上兩種情況可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案機(jī)房溫度截面及機(jī)柜最大出風(fēng)溫度較原方案能得到明顯改善及均衡。優(yōu)化方案空調(diào)負(fù)載控制在66～85kW，相比于原方案負(fù)載更為均勻，空調(diào)能延長(zhǎng)使用壽命，降低全生命周期能耗、故障率及維護(hù)成本。

2 某機(jī)房地板下氣流組織改造優(yōu)化

2.1 機(jī)房概況

機(jī)房采用地板下送風(fēng)+冷通道封閉模式，處于已建成試運(yùn)行階段，試運(yùn)行階段發(fā)現(xiàn)部分機(jī)柜存在熱點(diǎn)現(xiàn)象，易造成宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)初步分析，機(jī)房由于柱體較粗、機(jī)房為不規(guī)則格局（非標(biāo)準(zhǔn)矩形），導(dǎo)致地板下存在局部渦流現(xiàn)象以及柱體后部分機(jī)柜較熱現(xiàn)象。借助專業(yè)的氣流組織分析軟件進(jìn)行模型建立，并證實(shí)初步分析結(jié)果及分析改造方案。

2.2 CFD仿真分析

當(dāng)柱體位于冷通道內(nèi)，受地板下送風(fēng)風(fēng)速影響造成的靜壓差，地板出風(fēng)量由近空調(diào)端至遠(yuǎn)空調(diào)端總體呈上升趨勢(shì)。柱子位于列間時(shí)，總體出風(fēng)量較為平滑均勻；當(dāng)柱子完全位于冷通道時(shí)，柱子前方地板出風(fēng)量教高，柱子后方出風(fēng)量較低，受影響較為顯著。

通過(guò)在地板下增加導(dǎo)流隔板引導(dǎo)地板下送風(fēng)氣流，調(diào)整局部負(fù)壓，調(diào)整渦流中心位置達(dá)到改善地板出風(fēng)均勻的目的，借助氣流組織分析軟件進(jìn)行地板下導(dǎo)流板方案驗(yàn)證及調(diào)整。

對(duì)比CFD仿真分析以上兩種情況可以發(fā)現(xiàn)借助氣流組織分析軟件反復(fù)調(diào)整地板下導(dǎo)流板位置，可大大改善冷通道內(nèi)送風(fēng)量情況，減少局部熱點(diǎn)現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房不是簡(jiǎn)單的理想模型，由于機(jī)房專用空調(diào)是大風(fēng)量低焓差的空調(diào)設(shè)備，空調(diào)出風(fēng)風(fēng)速較快，受機(jī)房柱子、空調(diào)位置、機(jī)柜位置等諸多因素影響，在地板下形成氣流渦旋導(dǎo)致部分通孔地板無(wú)正壓送風(fēng)、地板送風(fēng)量達(dá)不到理論均勻送風(fēng)效果是普遍存在的現(xiàn)象。因此CFD仿真在參與數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)及改造等場(chǎng)景具有一定的理論使用價(jià)值，對(duì)于機(jī)房熱點(diǎn)規(guī)避具有很直觀的參考依據(jù)，設(shè)計(jì)師在使用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際落地運(yùn)行結(jié)果不斷積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)、CFD仿真結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)照，方能做到機(jī)房布局最優(yōu)解。

參考文獻(xiàn)

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