基于FLUENT的3D綠色機房建模

吳茜夢+張金

【摘 要】 通過對現有機房的實際測試，建立3D機房模型，模擬得到機房溫度場和速度場等數據，仿真出機房的熱環境，從而為機房的設計及維護提供科學指導。首先，通過對機房中冷通道進行均勻取點測試出溫度與風速的值，得出相應的溫度場、流場分布及最高溫度位置。其次，根據測試機房的實際情況，得出了溫度場及流場的數值結果。

【關鍵詞】 3D機房 溫度場 速度場 FLUENT軟件 MATLAB

1 問題分析

1.1 背景知識

該類機房采用獨立的空調通風制冷系統（HVAC），機房機柜的布置通常按一定的行業設計規范要求布置。相鄰機柜的出風口面對同一個通道。形成熱通道。機房內熱氣流經循環進入HVAC頂部，在經過水冷系統冷卻后從地下冷風槽通過中孔板送入機柜進風口，形成冷通道。對于此類機房，往往由于機柜布置的不合理，以及各機柜服務器任務分配的不合理，造成機房內局部溫度過高（形成熱點）。為了保證服務器的健康工作，通常需要HVAC降低送風溫度或加大送風量，造成耗能增加。綠色數據中心的主要任務之一就是根據機房的基礎設施狀態，按照行業規范要求合理地布置機柜，分布任務，盡量避免局部地區過熱。

1.2 需要解決的問題

（1）根據測試的數據，繪出冷、熱通道的熱分布及流場分布及室內最高溫度位置。

（2）建立物理模型與數學模型，模擬出數值結果。

（3）如果定義該機房的總體任務量為1，根據測試的數據，確定服務器不同任務量的最優化模型。

（4）對模型進行綜合評價與改進。

2 基本假設

（1）所有機器工作正常，以恒定的功率散發熱量。

（2）因為室內空氣的流速遠小于音速故可認為室內氣體為不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設，即認為流體密度變化僅對浮升力產生影響。

（3）外墻及服務器散熱面傳熱均勻，按照穩態傳熱處理，室內個傳熱表面之間忽略輻射影響。

（4）室內氣體屬于粘性流體，作定常流動，忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

（5）氣流流動為紊態流動。

（6）假設流場具有高紊流Re數，流體的紊流粘性具有各向同性。

（7）不考慮滲透風的影響，即認為模擬房間內氣密性良好。

3 模型建立與求解

根據數據，運用溫度來作為冷通道和熱通道的熱分布的指標，同時，用風速來作為冷通道和熱通道流場分布的指標。此時，對溫度影響的因素只有距空凋的位置和高度兩個指標。這樣運用Matlab軟件，對數據進行插值擬合計算，來刻畫出冷熱通道的熱分布和流場分布的三維曲面圖。通過作圖，得出了冷熱通道的熱分布和流場分布的三維曲面圖，并根據圖來找出室內溫度最高點的準確位置。

在圖1中，可以很清楚地發現溫度隨著高度增加而增加，有高度的吻合性。同時它的溫度也存在一個上限30℃。但是它的溫度的最高點相對熱通道而言還是比較低的，由此可以得出，室內溫度的最高點不會在冷通道中。我們做出了熱通道的熱分布，在熱通道中尋找室內溫度最高點。由圖2可得，在熱通道內同樣是溫度隨高度增加而增加，但是在距離空調的位置這個變量上，溫度先隨距離空調位置的距離增加而增加，但是在達到2.2m之后，它的溫度就隨之減少。所以我們通過圖可以發現室內溫度的最高點在[2.2，3]的空間鄰域內。

但是，我們僅僅考慮熱分布還不夠，下面我們還根據附錄二的數據作出了在不同場中的流場分布，具體如下圖3和圖4所示。

由圖3、4可知，風速隨著高度的增加而增加，也就是說溫度高的地方風速大，熱交換頻率越快，同時在距空凋的位置越遠時，它的風速反而越小。同樣，風速也有上限，上限為1m/s。下面考慮熱通道的流場分布，如圖4所示，我們發現熱通道中的流速大概在0.1m/s～1m/s，同時它的變化范圍波動不是很大。綜上所述，我們繪出冷、熱通道的熱分布及流場分布，得出室內最高溫度位置在[2.2，3]的空間鄰域內。

4 3D綠色機房建模的綜合評價與改進

4.1 對空調風柜的送風和回風調配具體方案

（1）調整通信機房的送風口速度。送風口速度的最大值控制在6m/s以下（百葉窗送風速度一般是2～4m/s）。

（2）將回風口1的回風溫度與回風口2中氣流溫度控制為相同值，這樣有利于機架的散熱，提高冷量的利用率。

（3）由于機架的回風只能通過兩側的通道到達回風口，在接近通道處的送風口風速過大容易造成冷空氣來不及換熱而直接到達回風口，造成冷量浪費，同時送風風速高對前面的回風和同排機架回風造成風阻，影響回風。由此，在風量的調節上，接近通道處的風口風速不應過大，同排機架送風口中間的風口風速較大有利于機架間熱空氣的及時回風。

（4）由于風速過高，在達到機架頂部之前還沒有擴展開，機架表面處于卷吸形成的渦流邊緣，對流換熱程度較弱，但在中部渦流擴散開來加強了換熱，小風量出風口的風速在通信機架頂部擴散開來，到達中部完全衰減，通信機架的中上部換熱效果良好。因此，為便于換熱應使不同風量的出風口交錯排列。

（5）通過調整回風溫度：原機房設計要求機房溫度在18℃～28℃，在回風溫度只要達到25℃時空調系統的制冷開始工作，到15℃時空調制冷系統關閉，此時出風溫度在15～25℃，這樣才能達到全機房的溫度要求。

4.2 數據機房的節能改造建議

（1）調整機房的送風口速度。從測試數據和仿真模擬計算圖可以看出，目前的送風口速度分布明顯不合理，將送風口速度的最大值控制在6m/s以下，這樣可以控制、調整通信機架的溫度場分布，將機房中的最熱區域與最冷區域的溫差控制在3℃左右，提高冷量的利用率，也是空調節能的一個主要方法之一。endprint

（2）控制風柜風量的大小、溫度，目前風柜的風量控制調整需要精確化。從測試數據分析可以分析，風柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機和水泵的功耗。

（4）優化調整冷凍水流量與溫差、風柜的風量、送風口的流速這些機房空調的關鍵參數，理論上可以節能30kW左右（冷凍水及水泵節能4～5kW、風柜節能6～8kW、機房能量消耗減少節能20kW）。

4.3 模型的評價與改進

通過對部分機房設施進行簡化，保留機架及其布局特征，并以測試的入口溫度、風速和機架散熱量為邊界條件建立CFD模型對機房進行模擬，并將機架前后的實測值和模擬值進行對比，初步證明模擬得到的機房溫度場能夠較為真實地反映實際情況。從實測和模擬數據都可以看出，機房熱環境狀況和機房內熱源分布，進風口參數與回風口的設置有極大的關系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測點的數量，同時記錄固定觀測點處的溫濕度、風速、風向的變化規律，更好地了解機房內部區域熱環境分布情況。

（2）模擬中需要進一步細化機架進出風口對熱環境的影響作用。模型中的僅考慮了機架壁面的熱流量，沒有考慮內置風機的影響，直接的后果就是模擬的風場受進風口風量的大小影響很大，機架前后溫差與實測機房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數學模型，機房環境模擬采用的是標準κ-ε方程及其改進方程，模擬相當于理論計算，機架周圍產生的渦旋繞流以及靜風區，能夠較為貼近實際的模擬出來，而實際情況中采用簡單的方程無法模擬。在運用FLUENT進行計算的時候，進一步考慮機架外部熱環境對內部氣流組織的影響。

參考文獻：

[1]黃赟.通信機房空調設計中的幾個問題.通信電源技術，2006，23：62-64.

[2]Don Beaty，Tom Davidson.Datacom Airflow Patterns[J].ASHRAE Journal.2005，（12）：3-4.

[3]R.Jeffrey，J.Yogendra.Modeling of data center airflow and heat transfer：State of the art and future trends.Distrib Parallel Databases.2007，21：193–225.

[4]陶文銼.數值傳熱學（第2版）.西安：西安交通大學出版社，2001.

[5]費翔麟，胡慶康，等.高等流體力學[M].西安：西安交通大學出版社，1983.

[6]林素菊.高大空間分層空調內氣流的數值模擬[J].制冷與空調，2005，5（1）：4-6.

[7]湯廣發.室內氣流數值計算及模型試驗[M].長沙：湖南大學出版社，1989.

[8]孫文志.中央空調的變頻調速方案及節能機理[J].遼寧師專學報：自然科學版，2004（4）.

[9]簡棄非，葳蕤，楊蘋，顏永明.通信機房氣流組織測試與仿真研究[J].節能技術，2009（4）.

[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制風柜風量的大小、溫度，目前風柜的風量控制調整需要精確化。從測試數據分析可以分析，風柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機和水泵的功耗。

（4）優化調整冷凍水流量與溫差、風柜的風量、送風口的流速這些機房空調的關鍵參數，理論上可以節能30kW左右（冷凍水及水泵節能4～5kW、風柜節能6～8kW、機房能量消耗減少節能20kW）。

4.3 模型的評價與改進

通過對部分機房設施進行簡化，保留機架及其布局特征，并以測試的入口溫度、風速和機架散熱量為邊界條件建立CFD模型對機房進行模擬，并將機架前后的實測值和模擬值進行對比，初步證明模擬得到的機房溫度場能夠較為真實地反映實際情況。從實測和模擬數據都可以看出，機房熱環境狀況和機房內熱源分布，進風口參數與回風口的設置有極大的關系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測點的數量，同時記錄固定觀測點處的溫濕度、風速、風向的變化規律，更好地了解機房內部區域熱環境分布情況。

（2）模擬中需要進一步細化機架進出風口對熱環境的影響作用。模型中的僅考慮了機架壁面的熱流量，沒有考慮內置風機的影響，直接的后果就是模擬的風場受進風口風量的大小影響很大，機架前后溫差與實測機房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數學模型，機房環境模擬采用的是標準κ-ε方程及其改進方程，模擬相當于理論計算，機架周圍產生的渦旋繞流以及靜風區，能夠較為貼近實際的模擬出來，而實際情況中采用簡單的方程無法模擬。在運用FLUENT進行計算的時候，進一步考慮機架外部熱環境對內部氣流組織的影響。

參考文獻：

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[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制風柜風量的大小、溫度，目前風柜的風量控制調整需要精確化。從測試數據分析可以分析，風柜提供的冷量偏大約50KW左右冷量。

（3）精確測定和控制冷凍水的流量與溫差，使冷凍水在正常的溫差5℃，降低制冷主機和水泵的功耗。

（4）優化調整冷凍水流量與溫差、風柜的風量、送風口的流速這些機房空調的關鍵參數，理論上可以節能30kW左右（冷凍水及水泵節能4～5kW、風柜節能6～8kW、機房能量消耗減少節能20kW）。

4.3 模型的評價與改進

通過對部分機房設施進行簡化，保留機架及其布局特征，并以測試的入口溫度、風速和機架散熱量為邊界條件建立CFD模型對機房進行模擬，并將機架前后的實測值和模擬值進行對比，初步證明模擬得到的機房溫度場能夠較為真實地反映實際情況。從實測和模擬數據都可以看出，機房熱環境狀況和機房內熱源分布，進風口參數與回風口的設置有極大的關系。

（1）在人力物力允許的情況下，增加溫度陣觀測點的數量，同時記錄固定觀測點處的溫濕度、風速、風向的變化規律，更好地了解機房內部區域熱環境分布情況。

（2）模擬中需要進一步細化機架進出風口對熱環境的影響作用。模型中的僅考慮了機架壁面的熱流量，沒有考慮內置風機的影響，直接的后果就是模擬的風場受進風口風量的大小影響很大，機架前后溫差與實測機房前后溫差相差很大。

（3）模擬采用的數學模型，機房環境模擬采用的是標準κ-ε方程及其改進方程，模擬相當于理論計算，機架周圍產生的渦旋繞流以及靜風區，能夠較為貼近實際的模擬出來，而實際情況中采用簡單的方程無法模擬。在運用FLUENT進行計算的時候，進一步考慮機架外部熱環境對內部氣流組織的影響。

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[8]孫文志.中央空調的變頻調速方案及節能機理[J].遼寧師專學報：自然科學版，2004（4）.

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