水冷機柜散熱系統風道結構設計優化分析

于光義，李鐘勇，牛占林

（浪潮電子信息產業有限公司，山東濟南 250101）

1 前 言

隨著云計算的普及，高密度節點的需求飛速增加，從而對高密度節點散熱使用的水冷機柜的需求也相應增加。

渦輪風扇由于前端進風，四周出風的特性，廣泛應用于水冷機柜的散熱系統，除了要求系統結構緊湊外，對低噪音和高效率提出了更高的要求。因為水冷機柜應用的特殊性，業界對這方面的研究較少，目前對于風扇的研究主要是關于軸流風扇內部流動特性的數值模擬和實驗研究[1，2]，以及軸流風扇葉頂間隙或扇葉長度對風扇性能的影響[3，4]；從系統層面對流場進行研究的也較少[5]，對渦輪風扇的研究也主要是考慮風扇內部流場[6]，對多個渦輪風扇組成的風扇系統的研究較少。

本文通過仿真計算及實際測試，在系統風扇性能不變情況下，驗證了流道結構變化對整套系統性能的改善情況，為提高風量、降低噪聲提供了依據。

2 仿真模型的建立

圖1是水冷機柜使用的渦輪風扇，在水冷機柜的設計中采用六個渦輪風扇提供風量，該風扇主要結構和設計參數為：葉輪外徑225mm，輪轂直徑115mm，葉片數5，進風口直徑151mm，最大轉速3600r/min，最大風量763cfm。

圖1 渦輪風扇

水冷機柜包括風扇系統、水冷盤管、服務器安裝機柜等部分，在本文中主要考慮風扇系統結構變化對風量的影響，在仿真分析時對實機進行了適當的簡化。由于實驗器材測試1500CFM風量的限制，在本文中我們按照風扇1170轉時的性能進行仿真計算，并就不同的結構分別建立模型：

（1）風扇不加防回流裝置，使風扇另外一邊的風通過專門的通道流向服務器；

（2）風扇加防回流裝置，使風扇另外一邊的風通過專門的通道流向服務器；

（3）風扇加防回流裝置，取消風扇之間專門的風道；

（4）風扇加防回流裝置，風扇之間完全隔離；

具體結構圖如圖2。

圖2 風扇不同安裝結構模型

對整個模型采用hexa unstructured網格進行劃分。

3 模擬仿真及仿真數據分析

采用湍流模型進行風扇系統的流場模擬，在給定邊界條件時，認為進口為大氣條件，給出風扇性能參數。

計算過程中采用相同的參數進行網格劃分，迭代次數為200次，并監測速度、壓力變化曲線以保證計算結果的可信度。當各計算殘差值小于0.001時，認為計算收斂。

從四個模型的仿真數據可以看出，模型一風量為0.5218m3/s，模型二風量為0.6021m3/s，模型三風量為0.6011m3/s；模型四風量為0.6041m3/s。即四種不同結構性能排列為：

結構四＞結構二＞結構三＞結構一。采用不同結構風扇附近流場流速分布如圖3～圖6所示。

通過模型仿真可以看出，風扇防回流圈可以有效改善系統流場，增加出風量，圖7顯示了風扇防回流圈對風扇流場的影響，當不增加防回流圈時，風扇的部分出風被進風口抽回，導致系統出風量減少。

圖7 風扇防回流圈對流場影響

圖8 結構一風扇流場

另外觀察風扇周圍氣流方向，可以看出風扇之間的流場相互影響，風扇之間的隔離較好時，可以有效削弱流場之間的相互影響，提高系統出風量。不同結構時風扇間的流場關系如圖8～圖11所示。

圖9 結構二風扇流場

圖10 結構三風扇流場

圖11 結構四風扇流場

4 不同結構風扇系統性能實際測試

圖12為實際測試的不同安裝結構的風扇系統性能曲線。

圖12 不同結構下風扇系統性能曲線

從實測數據可以看出，結構一最大風量為676CFM，結構二最大風量為752CFM，結構三最大風量為728CFM，結構四最大風量為824CFM，與結構一相比，采用結構四設計時，系統出風量提高22%。

實測得出不同結構性能關系為：

結構四＞結構二＞結構三＞結構一

實測結果與仿真結果一致。

5 結論

通過對不同結構的流場特性進行數值模擬以及實際測試，可以得出以下結論：

（1）風扇增加防回流圈，可以有效防止出風口氣流重新進入風扇入風口，有效增加風扇系統出風口氣流量。

（2）渦輪風扇之間有效隔離可以改善流場特性，提高系統出風量。

風扇的回流以及風扇流場間的影響會直接影響風扇系統的流場性能，本文為水冷機柜的結構優化設計提供了一定的理論依據。

[1] 柳品，金英子，王艷萍.小型軸流風扇內部流動特性研究 [J].浙江理工大學學報，2010，27（5）：750-755

[2] 王企鯤，陳康民.微型軸流風扇氣動相似特性研究[J].機械工程學報，2010，46（4）：116-121

[3] 王立紅，金英子，張立.小型風扇葉頂間隙內部流動數值模擬[J].浙江理工大學學報，2011，28（1）：73-78

[4] 王巍雄，李嵩，黃東濤，朱之墀，朱克勤.葉片磨短對低壓冷卻風扇氣動性能的影響 [J].清華大學學報，2007，47（2）：260-263

[5] 李劍波，吳克啟.空調風扇數值模擬及流道結構的優化 [J].流體機械，2006，34（9）：21-34

[6] 謝丹，楚武利.離心葉輪內部流場計算機仿真及分析[J].計算機仿真，2009，26（4）：344-347

[7] 劉鶴年.流體力學 [M].北京：中國建筑工業大學出版社，2001