基于熱對流定律的海底數(shù)據(jù)中心散熱優(yōu)化設(shè)計

王菲 魏萍 梁家豪

摘要：海底數(shù)據(jù)中心項目不僅無須占用陸上資源，還能節(jié)約能源，是一種綠色可持續(xù)發(fā)展的大數(shù)據(jù)中心解決方案。為此，將數(shù)據(jù)中心的實際散熱問題簡化為平面熱流模型，通過確定邊界條件將流體力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃模型，利用Matlab求解得到IU服務(wù)器的最優(yōu)個數(shù)范圍，同時利用Workbench中瞬態(tài)熱力學(xué)模塊進(jìn)行IU服務(wù)器的最優(yōu)個數(shù)分析檢驗，解決了數(shù)據(jù)中心的散熱問題。

關(guān)鍵詞：熱對流定律；能量方程；Workbench

中圖分類號：TP308文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0040-04

Thermal Optimization Design of Subsea Data Center Based on the Law of Thermal Convection

WANG FeiWEI PingLIANG Jiahao（Shandong University of Science and Technology， Resource College， Taian Shandong 271019）

Abstract： The subsea data centre project not only eliminates the need for land-based resources， but also save energy consumption， which is a completely green and sustainable solution for large data centers. For this ， the actual heat dis？ sipation problem of the data center is simplified into a planar heat flow model， and the hydrodynamic problem is transformed into a linear programming model by determining the boundary conditions， and the optimal number range of iu servers is obtained by using Matlab solution. Further， the optimal number of iu servers is analytically checked using the transient thermodynamics module in Workbench，the heat dissipation problem of the data center is settlecd.

Keywords： thermal convection law；energy equation；Workbench

1研究背景

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，全球數(shù)據(jù)中心每年消耗的電量占全球總電量的2%左右，然而其中能源消耗的成本占全行業(yè)的30%～50%，尤其是電子元器件散熱所耗能量占比巨大。海底數(shù)據(jù)中心項目（Project UDC）的原理是將服務(wù)器等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施安裝在具有冷卻功能的海底密閉的壓力容器件中，用海底復(fù)合纜供電將數(shù)據(jù)回傳；至互聯(lián)網(wǎng)海底數(shù)據(jù)中心與海水進(jìn)行熱交換，利用大量海水的流動對服務(wù)器等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行散熱，有效節(jié)約了能源。與此同時，海底數(shù)據(jù)中心對陸地占用極少，沒有冷卻塔，也無須淡水消耗，既能夠包容海洋牧場等生態(tài)類活動，又能夠與海上石油平臺等工業(yè)類活動互相服務(wù)。將數(shù)據(jù)中心部署在沿海城市的附近水域，能夠有效縮短數(shù)據(jù)與用戶的距離，不僅無須占用陸上資源，還能節(jié)約能源消耗，是一種綠色可持續(xù)發(fā)展的大數(shù)據(jù)中心解決方案。

2基于熱對流定律的服務(wù)器基礎(chǔ)模型

2.1數(shù)學(xué)化處理

由于所研究的物體長寬遠(yuǎn)大于其厚度，可以近似認(rèn)為它是一塊無限大的平板，即認(rèn)為其在熱傳導(dǎo)過程中，長度和寬度的邊緣對板四周的傳熱造成溫度變化影響極小，將傳熱問題在空間角度上僅看作厚度的函數(shù)，將熱傳導(dǎo)過程簡化為一維熱傳導(dǎo)問題。于是將其抽象和簡化為長方體薄片，建立如圖1所示的坐標(biāo)系。

但是，本研究中由于高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g的溫差不是很大，故而認(rèn)定其熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、熱容以及厚度均不變。

其中，A為服務(wù)器內(nèi)部，B為服務(wù)器與集裝箱之間的空氣層，且三層與外界環(huán)境接觸。分別將A、B、C層記為三層介質(zhì)。

2.2物理背景

熱力學(xué)過程有3種基本傳熱方式。熱傳導(dǎo)是指微觀粒子熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞，固、液、氣內(nèi)部傳熱均存在熱傳導(dǎo)，主要基于傅里葉定律計算；熱對流是指由流體宏觀運動引起的熱量傳遞過程，主要考慮流體與物體接觸面的熱交換，基于牛頓冷卻公式計算；熱輻射是指物體通過電磁波傳遞能量，可發(fā)生在任何物體中。

數(shù)據(jù)中心自身的產(chǎn)熱先通過熱傳導(dǎo)的方式到達(dá)集裝箱殼體，然后由集裝箱周圍的冷卻介質(zhì)（海水）以對流換熱方式將集裝箱外殼處的熱量隨著流體的流動帶走。為簡化模型，只考慮熱對流和熱傳導(dǎo)的傳熱方式[1]。

根據(jù)流體流動的特點，熱對流可分為自然對流和強制對流。這里主要考慮自然對流換熱。

2.2.1自然對流。固體與流體間存在溫差，導(dǎo)致流體內(nèi)部溫度不均勻，其在重力作用下產(chǎn)生浮升力促使流體向上發(fā)生流動現(xiàn)象，并引發(fā)熱量的相互交換，即自然對流換熱。其中，反映自然對流換熱強度的大小為格拉曉夫數(shù)Gr。

式中：Pr為普朗特數(shù)，是反映流體物理性質(zhì)對對流換熱影響的準(zhǔn)數(shù)，表示運動黏度與導(dǎo)熱系數(shù)的比值，表明流體動量和熱量傳遞能力的相對大小，還表明了溫度場與速度場之間的相似程度；μ為氣體動力黏度；Cp為氣體比熱；K為導(dǎo)熱系數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)，反映由于流體各部分溫度不同而引起的浮升力與黏性力的相對關(guān)系；r為氣體密度；b為氣體膨脹系數(shù)；L為特征長度；T為溫度；μ為氣體動力黏度。

利用Matlab求解上述規(guī)劃問題，得到在僅考慮散熱問題下的海底集裝箱內(nèi)可容納的數(shù)據(jù)箱為210～300個。

3.4模型求解

為了檢驗上述模型的準(zhǔn)確性，利用Ansys軟件對其進(jìn)行流體仿真分析[5]。Ansys是一款專門用于電子散熱領(lǐng)域的三維熱仿真和優(yōu)化設(shè)計軟件。設(shè)計人員可以用該軟件創(chuàng)建產(chǎn)品的虛擬模型，分析產(chǎn)品內(nèi)部的溫度分布、氣體流動、熱量傳遞過程等，也可以預(yù)測產(chǎn)品可能出現(xiàn)的熱風(fēng)險，并進(jìn)一步改善產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品的熱可靠性。An？ sys fluent軟件工作流程如圖3所示。

通過對集裝箱和服務(wù)器進(jìn)行建模，將其導(dǎo)入軟件中并對其進(jìn)行相關(guān)約束設(shè)置，得到如圖4所示的分析結(jié)果。

通過結(jié)果云圖可以看出，在只考慮對流散熱的情況下，服務(wù)器的可容納量最大值為242，介于求解區(qū)間。

4結(jié)語

數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在Inter- net網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、展示、計算、存儲數(shù)據(jù)信息。簡單來講數(shù)據(jù)中心就是將數(shù)量龐大的服務(wù)器放在一起，提供運行應(yīng)用來處理商業(yè)和運作數(shù)據(jù)的組織。

對于海底數(shù)據(jù)中心，如何在有限的體積內(nèi)存放更多的服務(wù)器且保證服務(wù)器工作過程中能夠向海水快速散熱是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。將數(shù)據(jù)中心實際散熱問題簡化為平面熱流模型，依據(jù)海水的熱傳導(dǎo)規(guī)律分析轉(zhuǎn)換成體積與溫度兩個因素，在只考慮服務(wù)器散熱需求的情況下，通過確定邊界條件將流體動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃模型，并且利用Matlab求出海底集裝箱內(nèi)可容納的數(shù)據(jù)箱為210～300個。為了檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，利用Ansys軟件對其進(jìn)行流體仿真分析。通過結(jié)果云圖可以看出，在只考慮對流散熱的情況下，服務(wù)器的可容納量的最大值為242，介于求解區(qū)間。同時，進(jìn)一步利用Workbench中的瞬態(tài)熱力學(xué)模塊對IU服務(wù)器的最佳數(shù)量進(jìn)行測試。

外界環(huán)境溫度是影響海底數(shù)據(jù)中心中IU處理器工作狀況的最重要因素。所以，相關(guān)研究所應(yīng)海底根據(jù)季節(jié)變換準(zhǔn)確標(biāo)定海底數(shù)據(jù)中心的表層溫度，從而控制海底數(shù)據(jù)中心的下潛深度，保證IU服務(wù)器的安全運作。

參考文獻(xiàn)：

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