數(shù)據(jù)機(jī)房送風(fēng)孔板處空氣流動的數(shù)值模擬

劉海龍，朱鑫姝，鄧佩剛

武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

數(shù)據(jù)機(jī)房不同于一般建筑，是指專門用于集中存放和管理各類信息設(shè)備（如服務(wù)器、交換機(jī)、工作站等）及其附屬設(shè)備（照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等）的場所，其目的是為了對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、運算、通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等，以滿足不同用戶對信息處理的要求。目前數(shù)據(jù)中心的熱流密度呈上升趨勢［1］，能耗為 120～940 W/m2［2］。面對數(shù)據(jù)中心高能耗、高熱流密度的發(fā)展趨勢，只有在前期建設(shè)規(guī)劃中對數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行更為合理的建模，才能在流體仿真的模擬中得到精確的結(jié)果，從而對后期起到更好的指導(dǎo)作用。

為了解決這一問題，前人做了很多研究。頓喆等［3］對數(shù)據(jù)中心機(jī)房的氣流組織模擬優(yōu)化進(jìn)行了研究，并提出建立冷熱通道和冷通道改進(jìn)兩種方案，結(jié)果表明，冷通道改進(jìn)方案相較于原方案可以節(jié)能 42.27%。Cho［4］利用 STAR-CD 對 6 種常用的送風(fēng)方案進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地板送風(fēng)、管道回風(fēng)、冷通道隔離的方案是最佳的送風(fēng)方案。嚴(yán)瀚［5］通過對氣流組織對數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗影響的研究，提出了垂直送風(fēng)精密空調(diào)和其衍生的拼裝型模塊化數(shù)據(jù)中心方案，研究結(jié)果表明，采用該方案可以優(yōu)化氣流組織，同時降低風(fēng)機(jī)能耗因子。黃慶河等［6］采用數(shù)值模擬的方法對高熱流密度機(jī)房的布局對服務(wù)器的換熱和能耗情況做了研究，提出了冷通道封閉、右側(cè)低壓區(qū)加隔板、空調(diào)側(cè)加隔墻3 種改進(jìn)措施。研究結(jié)果表明，3 種措施均可以有效的改善機(jī)房內(nèi)的溫度分布，消除熱點區(qū)域，實現(xiàn)冷量的有效利用。謝孟曉等［7］對帶有3 種不同功率的1U 服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行研究。結(jié)果表明，采用功率較低的服務(wù)器可以充分利用現(xiàn)有機(jī)房空間，經(jīng)過優(yōu)化后的機(jī)房具有較好的熱環(huán)境，采用功率較高的服務(wù)器可以節(jié)約機(jī)房空間，但氣流組織和冷量利用需加以改善。原世杰［8］采用ANSYS 軟件研究了列間空調(diào)在機(jī)柜內(nèi)的合理布局位置以提高冷量利用率，結(jié)果表明，列間空調(diào)排列位置會對機(jī)柜出風(fēng)溫度、機(jī)房熱環(huán)境及氣流組織產(chǎn)生影響。Nada 等［9］通過實驗研究了采用下送風(fēng)上回風(fēng)形式的數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織和熱環(huán)境，提出了一種更好的機(jī)房熱環(huán)境管理方式，即將具有較高信息處理任務(wù)的IT 設(shè)備放置在機(jī)柜的底部，這樣能使其充分被冷卻且不會出現(xiàn)局部熱點問題。葉思鶩等［10］提出一種新的機(jī)柜熱環(huán)境評價指標(biāo)，然后用不同評價指標(biāo)對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，提出的評價指標(biāo)對設(shè)備布局、節(jié)省電力消耗具有指導(dǎo)作用。陸宏杰［11］提出適用靜壓層封閉方案并進(jìn)行了實驗，結(jié)果表明，該方案可以優(yōu)化靜壓層送風(fēng)結(jié)構(gòu)從而提高數(shù)據(jù)中心的熱性能。陳文輝［12］針對數(shù)據(jù)中心通常采用送風(fēng)方式的局限性，設(shè)計了冷墻側(cè)送風(fēng)、封閉熱通道上回風(fēng)的氣流組織形式。結(jié)果表明，該設(shè)計可以更好地滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房對工作溫度的要求。

通過對前人研究成果的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)人們對機(jī)房的節(jié)能研究主要側(cè)重于空調(diào)送風(fēng)方式的改進(jìn)、自然冷卻技術(shù)及其他冷卻方式的應(yīng)用、服務(wù)器排列方式與機(jī)架布局的優(yōu)化、機(jī)架內(nèi)氣流組織的優(yōu)化等方面，但是對孔板送風(fēng)的研究，尤其是優(yōu)化模擬方面還相對較少。針對該問題，筆者所在課題組針對實際運營的多個機(jī)房開展了應(yīng)用研究?，F(xiàn)在的大多數(shù)數(shù)據(jù)機(jī)房都采用孔板風(fēng)口，由于孔口直徑與機(jī)房幾何尺寸不在一個量級上，如果將每個孔板的小孔都包含在模型之中，將導(dǎo)致巨大的前期工作量，而且由此產(chǎn)生的龐大的網(wǎng)格單元數(shù)是目前計算機(jī)無法處理的，因此，課題組對風(fēng)口的簡化做了一些研究［13］。筆者發(fā)現(xiàn)對送風(fēng)孔板的簡化處理可以使得工作量大大減少，但是這種處理方式忽略了孔板的開孔、柵格等特征，喪失了孔板處太多細(xì)節(jié)，從而導(dǎo)致射流特性（射流衰減、射流擴(kuò)散等）與實際不符。因此，筆者提出了一種優(yōu)化模型，用多孔介質(zhì)模型模擬流體通過孔板產(chǎn)生的壓力損失，然后在其上方設(shè)置源項來模擬流體的射流對其上方空氣流場的影響。

本文以孔板及其相鄰機(jī)柜作為研究對象，建立3 種模型：一是孔板的實體模型，該模型能充分體現(xiàn)空氣通過孔板后的真實情況；二是基本模型，該模型是將原風(fēng)口等比例縮小，但其忽略了小孔較多的細(xì)節(jié)；三是優(yōu)化模型。然后采用課題組在某機(jī)房現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)作為上述3 種模型的邊界條件進(jìn)行模擬計算。

1 模型計算

1.1 機(jī)房及模型概述

某數(shù)據(jù)中心機(jī)房的內(nèi)部分布如圖1（a）所示，機(jī)柜內(nèi)部IT 設(shè)備的分布如圖1（b）所示。機(jī)房使用架空地板送風(fēng)、無管道自由回風(fēng)的氣流組織形式，架空地板高度為600 mm。內(nèi)部機(jī)柜采用42U的19 英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)均具有良好的隔熱措施。

圖1 機(jī)房內(nèi)部：（a）冷通道，（b）服務(wù)器Fig.1 Internal pictures of data center room：（a）cold aisle，（b）IT equipment

截取圖1（a）中單個孔板及其相鄰機(jī)柜的區(qū)域，如圖2（a）所示，作為建模對象，結(jié)合圖1（b）中 11個服務(wù)器及其排列方式，建立如圖2（b）所示的ANSYS 模型圖?？紤]到相鄰服務(wù)器之間在進(jìn)風(fēng)口側(cè)存在擋板，流體只會從服務(wù)器的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入內(nèi)部，建模時將圖2（a）中服務(wù)器進(jìn)風(fēng)側(cè)簡化成一個面。由于該孔板上方區(qū)域除服務(wù)器側(cè)的另3 個側(cè)面具有對稱性質(zhì)，因此將這3 個面設(shè)置為對稱邊界條件。該機(jī)房采用冷通道封閉方案，所以頂部設(shè)置為Wall。

實體模型、基礎(chǔ)模型以及優(yōu)化模型的區(qū)別就是對開孔率為25%的孔板采取不同的處理方法，它們在孔板進(jìn)風(fēng)口和服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口具有相同的邊界條件，因此使用測量值作為它們的邊界條件。具體參數(shù)如下：將圖2（b）模型圖中11 個服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口側(cè)面由下至上按#1～#11 標(biāo)序，孔板進(jìn)風(fēng)口處的速度是0.54 m/s，#1～#3服務(wù)器入流風(fēng)速是0.1 m/s，#4～#5 服務(wù)器入流風(fēng)速是 0.3 m/s，#6～#9 服務(wù)器入流風(fēng)速是 0.45m/s，#10～#11 服務(wù)器入流風(fēng)速是0.6 m/s。

圖2 研究對象：（a）孔板及其相鄰機(jī)柜，（b）模型圖Fig.2 Research objects：（a）perforated plate and its adjacent racks，（b）model

1.2 模型建立

1.2.1 實體模型 孔板送風(fēng)具有射流擴(kuò)展性好，軸心速度衰減快的特點，能在工作區(qū)域內(nèi)獲得較均勻的氣流流型，現(xiàn)今的大多數(shù)下送風(fēng)數(shù)據(jù)機(jī)房都采用孔板風(fēng)口，如圖3（a）所示?？装逅惋L(fēng)的射流特性是由多股小孔射流匯聚而成，所以建立的實體模型必須充分的體現(xiàn)這一特征。Vaibhav等［14］的研究表明，可以將孔板不規(guī)則的真實幾何簡化成規(guī)則的長方體幾何模型，所以可以建立如圖3（b）所示的孔板實體模型，該圖是孔板的俯視圖。

圖3 送風(fēng)孔板：（a）實物圖，（b）ANSYS 中的模型圖Fig.3 Perforated plates for air supply：（a）real image，（b）model in ANSYS

1.2.2 基礎(chǔ)模型 1990 年，Heikkinen［15］提出了基礎(chǔ)模型，將原風(fēng)口等比例縮小，即兩者風(fēng)口的長寬比相同，原風(fēng)口的入流有效面積Ar與簡化風(fēng)口面積A相同。

1.2.3 優(yōu)化模型 優(yōu)化模型是對基本模型的改進(jìn)，具體做法是在建立的模型中，將孔板給定多孔介質(zhì)邊界條件，并加入源項。采用多孔介質(zhì)可以模擬孔板送風(fēng)口處氣流的壓力損失，在孔板上方使用源項可以模擬流體通過孔板產(chǎn)生的射流效應(yīng)。

多孔介質(zhì)模型中的流動阻力系數(shù)及壓力損失可式（1）得到：

式中，v是進(jìn)入孔板時流體的速度，ρ是流體的密度，F(xiàn)O是孔板的開孔率，K是流動阻力系數(shù)，該系數(shù)由經(jīng)驗公式（2）得出：

通過式（1）和式（2）可以得到流體通過孔板時的壓力損失，除此之外其大小也可通過達(dá)西定律和附加的慣性損失確定。

式中，μ是空氣的層流黏度，α是介質(zhì)的滲透率，C2為阻力系數(shù)，v是孔板附近的速度，h是孔板的厚度。流體在流出和流入孔板時存在著動量差，在優(yōu)化模型中將動量差作為源項的重要依據(jù)，大小由式（5）得到：

式中，m是質(zhì)量流量，vin是流體進(jìn)入孔板時的速度，vout是流體離開孔板時的速度，V是源項區(qū)域的體積。本模擬計算中α取值為 1.76× 10-6m2，C2取值為9 865 m-1，孔板厚度為0.003 m，源項大小Sz=14.9 N/m3。

2 有限元計算

根據(jù)之前的邊界條件，通過FLUENT 得到3種模型的計算結(jié)果，為了便于比較，根據(jù)圖2（b）中的坐標(biāo)軸，截取3 種模型在X=0.24 m 平面上的速度云圖如圖4 所示，壓力云圖如圖5 所示。

為了驗證實體模型的正確性，將實體模型的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，選取孔板若干個孔口，由圖4（a）讀取氣流在這些孔口附近的平均速度為1.754 m/s，該值略大于實驗中測到的氣流在孔附近的平均速度1.5 m/s，考慮到孔板開口很小使得探頭無法測到開口流通截面處的風(fēng)速，因而測到的風(fēng)速1.5 m/s 低于實際值，因此1.754 m/s 接近真實值。其次，孔板送風(fēng)的特點是在氣流在孔口處產(chǎn)生均勻的射流流程，由圖4（a）可見孔板上方的流場十分均勻，且圖4（b）展示的放大的孔板處的氣流速度場也體現(xiàn)了空氣經(jīng)過孔板處的射流特性。

圖4 速度云圖：（a）實體模型，（b）（a）的局部放大圖，（c）基礎(chǔ)模型，（d）優(yōu)化模型Fig.4 Velocity contours：（a）real model，（b）partial enlarged model of（a），（c）basic model，（d）optimal model

根據(jù)上面的分析可知實體模型能較好地還原實際孔板送風(fēng)的細(xì)節(jié)，但由于其網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到500 萬導(dǎo)致其計算時間較長，而且這只是一個孔板處的模型，一個機(jī)房往往有上百個孔板，這樣的處理將會帶來非常巨大的工作量，因此需要將其簡化?；A(chǔ)模型和優(yōu)化模型都對孔板進(jìn)行了簡化處理，速度云圖如圖4（c）、（d）所示，與圖4（a）進(jìn)行對比，可以看出優(yōu)化模型在孔板上方流體的速度分布更有層次感，十分接近實體模型的模擬結(jié)果。而基礎(chǔ)模型在孔板上方流體的速度分布則顯得雜亂，且其射流高度遠(yuǎn)大于實體模型的射流高度。

圖5 壓力云圖：（a）實體模型，（b）基礎(chǔ)模型，（c）優(yōu)化模型Fig.5 Pressure contours：（a）real model，（b）basic model，（c）optimal model

圖5 為幾種模型的壓力云圖，可以清楚的看到優(yōu)化模型的壓力與實體模型非常吻合，基礎(chǔ)模型與實體模型存在很大的差異。為了客觀地體現(xiàn)這一點，在孔板表面上選取A、B、C、D4 個點如圖3（b）所示，然后在4 個點的垂直方向上選取若干個等高度的點，讀取3 種模型在各個點對應(yīng)的速度和壓強(qiáng)值，得到3 種模擬結(jié)果在這些點的速度對比圖（圖6）和壓強(qiáng)對比圖（圖7）。

由圖6 可知，實體模型中空氣的速度隨著垂直高度的增加而逐漸降低，在垂直高度0.2 m 處，4 個點的空氣的速度基本相同，這些與實際情況一致，證明了實體模型的準(zhǔn)確性。通過圖6 的對比，可以清楚的看到，在4 個對比圖中，優(yōu)化模型的曲線與實體模型的曲線非常吻合，誤差在5%以內(nèi)，而基礎(chǔ)模型的曲線則與實體模型的曲線差距較大，特別是在圖6（b）、圖6（c）中，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是基礎(chǔ)模型的B、C點選取在孔口處，通過圖4（c）可以看到其開口處理過于簡單，因此速度值遠(yuǎn)大于實體模型相同位置對應(yīng)的空氣速度值。

圖6 測量點速度對比：（a）A 點，（b）B 點，（c）C 點，（d）D 點Fig.6 Speed comparison of measurement points：（a）point A，（b）point B，（c）point C，（d）point D

圖7 測量點壓強(qiáng)對比：（a）A 點，（b）B 點，（c）C 點，（d）D 點Fig.7 Pressure comparison of measurement points：（a）point A，（b）point B，（c）point C，（d）point D

圖7 中實體模型空氣的壓力隨著垂直高度而逐漸增加，除此之外，實體模型在4 個圖中相同的垂直高度處的壓力值基本相同，這符合孔板上方空氣的射流特征，再次證明了實體模型的正確性。通過圖7 的對比，可以清楚的看到，在4 個對比圖中，優(yōu)化模型的曲線與實體模型的曲線非常吻合，誤差在5%以內(nèi)，而基礎(chǔ)模型的曲線則與實體模型的曲線差距較大。

3 結(jié) 論

本文針對孔板送風(fēng)口的數(shù)值模擬提出了一種優(yōu)化模型的計算方法，該模型利用多孔介質(zhì)和添加源項的方法模擬孔板送風(fēng)口處氣流的壓力損失以及射流效應(yīng)對孔板上方冷通道的流場影響。建立了實體模型、基本模型、優(yōu)化模型進(jìn)行對比研究，計算結(jié)果表明：相比實體模型，基本模型和優(yōu)化模型都能夠減少約60%的計算時間，但基礎(chǔ)模型的速度場和壓力場與實體模型的誤差在50%左右，而優(yōu)化模型的速度場和壓力場與實體模型的誤差在5%以內(nèi)，因此優(yōu)化模型是一種更加合理的選擇。