海底數(shù)據(jù)中心的散熱優(yōu)化設(shè)計

桓榮雨

編者按：受“大數(shù)據(jù)”及“互聯(lián)網(wǎng)+”熱潮以及國內(nèi)政策因素驅(qū)動的影響，全球數(shù)據(jù)中心行業(yè)都呈高速增長態(tài)勢。近年來提出了“海底數(shù)據(jù)中心項目（Project UDC）”，通過將服務(wù)器等設(shè)施安裝在具有先進(jìn)冷卻功能的海底密閉的壓力容器中，通過與海水進(jìn)行熱交換，利用巨量流動海水對其散熱，大大節(jié)約了土地資源、水資源等。

這篇文章研究了大體積的集裝箱外殼放入海底會引起水壓場的變化。通過熵權(quán)TOPSIS法分析評價幾種較為合適的材料，最后選擇了鋁合金5052。通過應(yīng)用面元法計算海底數(shù)據(jù)集裝箱在不同深度中引起的壓力場變化，對水壓進(jìn)行定量分析，為了避免水下生物撞擊引起集裝箱外殼損壞，同時也研究了其耐壓結(jié)構(gòu)。由于實際條件的限制，作者通過有限元仿真軟件MARC對外殼承受的壓力進(jìn)行仿真分析，最終得到優(yōu)化后的深度。

問題重述

據(jù)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，而其中能源消耗的成本占整個IT行業(yè)的30%-50%，特別是電子器件散熱所需消耗的能量占比極大。

目前，國內(nèi)大數(shù)據(jù)中心主要建設(shè)在內(nèi)陸地區(qū)，但大數(shù)據(jù)中心建設(shè)在陸地上需要占用大量土地，冷卻時需要消耗大量的電能和冷卻水資源，并花費大量建設(shè)成本。由于沿海發(fā)達(dá)省市數(shù)據(jù)中心增長迅猛，類似的資源矛盾尤為突出。

問題1：固體在液體中的冷卻的方式主要是對流傳熱，對流傳熱可分為自然對流和強(qiáng)制對流。假定數(shù)據(jù)中心集裝箱的尺寸為直徑1m，長12m的圓柱形，懸空放置（圓柱形軸線與海平面平行）在中國南海溫度為20攝氏度的海域深度，其中單個1U服務(wù)器的產(chǎn)熱為500W（正常工作溫度不能超過80攝氏度），1U服務(wù)器機(jī)箱的高度為44.45毫米，寬度為482.6毫米，長度為525毫米，請評估單個集裝箱外殼中最多可以放多少個服務(wù)器（僅考慮服務(wù)器的散熱需求）。

問題2：假定集裝箱外殼最大尺寸不超過1m×1m×12m，結(jié)合第一問的分析，如何設(shè)計集裝箱外殼的結(jié)構(gòu)（如在圓柱體，長方體等上考慮翅片結(jié)構(gòu)），可以實現(xiàn)最大化的散熱效果，即存放更多的服務(wù)器。

問題3：較深的海水具有較低的溫度，能取得更好的散熱效果，同時增大的壓力會對集裝箱外殼的耐壓能力提出更高的要求;值得注意的是海水本身是一種強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)，直接與海水接觸的各種金屬結(jié)構(gòu)物都不可避免地受到海水的腐蝕。需進(jìn)一步選擇合適的材料和海底深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限。

模型假設(shè)

（1）現(xiàn)實中集裝箱中的流體流動時會受到阻力。為了方便計算，我們假定模型中的集裝箱絕對平滑，而忽略了阻力對流體流速的影響。

（2）集裝箱內(nèi)服務(wù)器產(chǎn)生的熱量能通過外殼，整體均勻地被海水完全吸收和帶走。

（3）流動的海水在集裝箱附近沒有回旋，即流向集裝箱的海水以垂直于圓柱體高線的方向均勻流動，且海水的溫度恒定為20 ℃。

（4）每一臺服務(wù)器都正常運行，且穩(wěn)定產(chǎn)熱500 W。

（5）流經(jīng)海水的密度和比熱容整體不變。

符號說明

本文中用到關(guān)鍵數(shù)學(xué)符號如表1所示。

模型的建立與求解

問題3的建模與求解

（1）問題分析

問題3要求在問題2設(shè)計的集裝箱外殼翅片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步綜合各類參數(shù)，包括材料彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、密度等屬性，考慮價格、海底復(fù)雜的自然環(huán)境、自然災(zāi)害等因素，優(yōu)化集裝箱的外殼材料。為此我們可以考慮采用熵權(quán)TOPSIS法來進(jìn)行研究。同時綜合考慮集裝箱外殼的抗壓能力、散熱性能、制造和維護(hù)成本、使用年限，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)中心集裝箱的工作深度。為此我們可以考慮利用面元法計算海底數(shù)據(jù)中心集裝箱在不同深度海水中引起的壓力分布，基于受力分析對集裝箱外殼進(jìn)行作用力分析，同時考慮在一定材料、一定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計的集裝箱外殼所能承受的壓力限度，對其承受的水壓進(jìn)行定性分析，從而優(yōu)化設(shè)計集裝箱深度。共分兩步進(jìn)行。

（2）問題求解

我們在選擇數(shù)據(jù)中心集裝箱外殼材料的時候，需要綜合考慮多方面的因素。材質(zhì)的密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、電位、價格、是否耐腐蝕，甚至不同金屬間可能存在的相互作用都是材料選擇時需要考量的因素。首先，對于主體材料的選擇我們排除掉貴金屬，因為價格過于高昂，超出制造成本。然后，剔除掉強(qiáng)度不夠的復(fù)合材料。然后通過熵權(quán)法對其進(jìn)行研究。

熵權(quán)TOPSIS法是一種客觀賦權(quán)方法，其根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計算出各指標(biāo)的熵權(quán)，再通過熵權(quán)對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，從而得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重。在綜合評價中所起的作用越大，權(quán)重就越高。其評價結(jié)果主要依靠客觀資料，幾乎不受主觀因素影響，可以在很大程度上避免人為因素的干擾。具體數(shù)據(jù)見表2—表6。

對于材料的選擇，鈦合金雖然可以達(dá)到極佳的性能、并且抗腐蝕性優(yōu)異，但是由于高昂的造價并不適用于容器的制作;復(fù)合材料在目前備受關(guān)注，并且它也具有極強(qiáng)的抗腐蝕性以及相對優(yōu)異的成本優(yōu)勢，但是它并不能承受過大的水壓，因此無法被使用。最終選擇使用鋁合金Aluminum alloy 5052作為容器的制作材料，為了防止容器的腐蝕，其表面做了大量的涂層以避免與海水的直接接觸;并且為了防止由于涂層脫落導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生，還采用了陰極保護(hù)的手法，之所以選擇鋅是因為它不會對海洋環(huán)境造成破壞。

大體積高質(zhì)量的海底數(shù)據(jù)中心集裝箱放入海水中會引起水壓場的變化，對此我們通過面元法計算海底數(shù)據(jù)中心集裝箱在不同深度海水中引起的壓力分布，同時通過計算流體力學(xué)的方法對流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究水壓場的分布特征。同時我們注意到，在深海環(huán)境中，耐壓外殼所受靜水壓力大，一旦受到海洋生物或者人類活動沖擊，將十分危險。這也是影響數(shù)據(jù)中心集裝箱正常工作的一大因素，我們同時將通過有限元仿真技術(shù)，對此進(jìn)行集裝箱外殼圓柱體耐壓結(jié)構(gòu)研究，匹配最適深度。

由于深水環(huán)境中，靜水壓力過大，所以在優(yōu)化設(shè)計集裝箱深度時，還要考慮到集裝箱外殼遭受沖擊后所引發(fā)的后果。由于現(xiàn)實試驗數(shù)據(jù)的缺乏，以及海底環(huán)境過于復(fù)雜，影響因素眾多，不利于進(jìn)行數(shù)值計算，所以通過深海仿真模擬的方法來進(jìn)行研究。采用有限元仿真軟件MARC進(jìn)行仿真分析。根據(jù)陳煒然的研究成果，受深水壓力影響，水下集裝箱外殼的防撞性隨著撞擊水深的增加而下降。因此考慮深海環(huán)境中的防撞因素是十分有必要的。數(shù)據(jù)中心集裝箱外殼各項參量參數(shù)見表7，其受力測試結(jié)果曲線圖見圖1。

通過圖1我們可以得知集裝箱外殼不同受力點的受力極值，通過對相關(guān)參量與力學(xué)能量轉(zhuǎn)換的計算，得出了水下數(shù)據(jù)中心集裝箱外殼的受力極值。

裝有服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心入水時，需要重力配載入水，首先由于流體的阻力與入水時的速度質(zhì)量成正比，下放過程中，集裝箱外殼會受到較大阻力影響，能否在一定限度上減小流水阻力對集裝箱外殼的不利影響也十分重要。隨著入水深度的增加，靜水壓線性也會顯著增加。在此基礎(chǔ)上，我們針對深度優(yōu)化問題，進(jìn)行下一步的研究。

海水的深度變化所帶來的壓力變化，對海底數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的耐壓和密封性都提出了更高的要求。并且，隨著海水深度的增加，而系統(tǒng)內(nèi)部壓力過低，易造成集裝箱內(nèi)外海水難以正常交換，會影響服務(wù)器的正常散熱。

查閱資料，了解到中國海域的深度與壓力比照表。比對各深度海水壓力與集裝箱外殼和各取點的受力極限，深度為270米為優(yōu)化后的最適深度。

參考文獻(xiàn)：

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