數(shù)據(jù)機(jī)房送回風(fēng)系統(tǒng)氣流組織改善數(shù)值分析

魯　念，　江振興，　于冬冬，　謝軍龍（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074）

數(shù)據(jù)機(jī)房送回風(fēng)系統(tǒng)氣流組織改善數(shù)值分析

魯念，江振興，于冬冬，謝軍龍
（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074）

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房的回風(fēng)天花板高度，送風(fēng)地板高度，送風(fēng)地板內(nèi)部架設(shè)擋板對(duì)于機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織及溫度分布的影響進(jìn)行CFD模擬。研究結(jié)果表明：在冷熱通道未封閉時(shí)，回風(fēng)天花板越高，回風(fēng)口距離熱通道越遠(yuǎn)，機(jī)房?jī)?nèi)部溫度越高。增大地板高度，有利于氣流組織均衡。當(dāng)?shù)匕甯叨仍龃蟮揭欢ǔ潭群螅M(jìn)一步增大高度的作用不再明顯。在送風(fēng)地板下安裝擋板有利于氣流組織均衡，擋板緊貼地板底部?jī)?yōu)于擋板緊貼機(jī)柜底部。擋板緊貼地板底部時(shí)，氣流組織更均衡且達(dá)到最優(yōu)效果需要的高度更低，節(jié)省材料。兩種安裝方法，擋板高度均有最優(yōu)值，高度過(guò)高會(huì)引起流道阻塞，造成后部機(jī)柜風(fēng)量不足。

數(shù)據(jù)機(jī)房； 數(shù)值模擬； 氣流組織； 送風(fēng)地板

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.016

0　引言

隨著數(shù)據(jù)機(jī)房的單位面積散熱量及熱負(fù)荷大幅增長(zhǎng)［1］，冷卻效率更高的機(jī)房架空地板下送風(fēng)方式，機(jī)架“面對(duì)面、背靠背”的“冷熱通道”安裝方式得到廣泛認(rèn)同［2］。李文禎［3］通過(guò)實(shí)施熱通道/冷通道設(shè)備交替排布提高冷卻效率。Weerts，B.A.Gallaher，D.和Weaver，R［4］通過(guò)經(jīng)濟(jì)化過(guò)道和應(yīng)用直接冷卻蒸發(fā)系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)中心的冷卻負(fù)載在冬天可以減少90%以上。孫育河［5］介紹了智能冷通道封閉系統(tǒng)的組成及優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)可改變數(shù)據(jù)中心環(huán)境氣流組織和降低冷通道的溫度梯度，徹底改善數(shù)據(jù)中心的制冷效果，查貴庭，張勇［6］比較了兩種冷池方案對(duì)房間氣流組織分布和房間散熱的影響。王穎［7］通過(guò)對(duì)比機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)氣流組織形式，結(jié)合CFD送風(fēng)模擬結(jié)果，驗(yàn)證了冷池的適用場(chǎng)景。

目前對(duì)于冷熱通道的改善，送回風(fēng)形式對(duì)氣流組織影響的研究比較多，對(duì)送回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?yōu)化的研究還比較少。本文利用CFD模擬方法，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房的回風(fēng)天花板高度，送風(fēng)地板高度，送風(fēng)地板內(nèi)部架設(shè)擋板對(duì)于機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織及溫度分布的影響進(jìn)行分析。

1　計(jì)算方法及模型

本文對(duì)常規(guī)模塊化高密度數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行模擬。設(shè)計(jì)功率密度為2kW/m2，機(jī)房幾何尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=20m×10m×3.5m。機(jī)柜幾何尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=1m×0.6 m×2.1 m。機(jī)房?jī)?nèi)共有9列97個(gè)機(jī)柜。設(shè)計(jì)機(jī)柜“面對(duì)面，背靠背”排列，機(jī)架前面間距1m，背面間距1.2m。冷通道設(shè)在機(jī)柜前面，冷風(fēng)送入架空地板層后，通過(guò)孔板風(fēng)口送入室內(nèi)。冷風(fēng)進(jìn)入機(jī)柜換熱后，由吊頂層回風(fēng)，實(shí)現(xiàn)冷熱通道區(qū)分，如圖1所示。

圖1　機(jī)柜布置示意圖

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分。所有數(shù)值模擬計(jì)算都采用FLUENT軟件。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；運(yùn)用二階迎風(fēng)差分格式離散對(duì)流項(xiàng)，二階中心差分格式離散擴(kuò)散項(xiàng)；SIMPLE算法求解方程。

機(jī)房熱負(fù)荷為388kW，機(jī)架發(fā)熱量為2600W/m3。根據(jù)公式：

式中 qv—風(fēng)量，m3/s；

Q—機(jī)架發(fā)熱量，kW；

Cp—空氣比熱容，kJ/kg·K；

ρ—空氣密度，kg/m3；

Δt—機(jī)架進(jìn)出口溫差，℃。

送風(fēng)溫度為22℃，假設(shè)溫差為10℃，送風(fēng)風(fēng)量為31.5m3/s，送風(fēng)口尺寸為5×1.2m×7.8m和1×1m×7.8m，取地板的通風(fēng)率為50%。回風(fēng)口設(shè)為壓力出口，送風(fēng)口設(shè)為速度入口。

為降低網(wǎng)格數(shù)，簡(jiǎn)化計(jì)算，提高計(jì)算效率，將送回風(fēng)系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行優(yōu)化模擬。

1.1回風(fēng)系統(tǒng)模型

對(duì)回風(fēng)天花板高度為2.6m、2.8m、3m，回風(fēng)口分別布置在熱通道上方和機(jī)架正上方的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行三維模擬。送風(fēng)形式均為冷通道地板均勻送風(fēng)。圖2為回風(fēng)口布置在熱通道上方的示意圖。表1為不同方案邊界條件說(shuō)明。

1.2送風(fēng)系統(tǒng)模型

對(duì)不同送風(fēng)地板高度、不同擋板高度的送風(fēng)形式進(jìn)行二維模擬。回風(fēng)方式均為熱通道上方回風(fēng)，天花板高度為3m。擋板位于機(jī)架下部，擋板間距和機(jī)架寬度相同。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房地板的高度決定了地板下靜壓箱的風(fēng)量，地板高度應(yīng)由機(jī)柜的送風(fēng)量決定。隨著高密度數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)，最低地板高度由300mm增至400mm乃至600mm，有的地板高度已經(jīng)達(dá)到了2000mm。發(fā)熱量2kW/m2的數(shù)據(jù)機(jī)房，常規(guī)地板高度為1000mm［8］。以200mm為模型差異，分別模擬了0.6～1.6m地板高度的氣流組織分布。

表1　邊界條件

圖2　回風(fēng)口布置在熱通道上方示意圖

架設(shè)擋板可以打亂來(lái)流，促進(jìn)壓力平衡。由于擋板高度收到地板高度的限制，本文取地板高度為常規(guī)的1000mm，以100mm為模型差異，分別模擬了擋板高度相等，0.1～0.9m擋板高度氣流組織分布。

圖2　擋板貼地板送風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1回風(fēng)系統(tǒng)

截取機(jī)房有代表性的幾個(gè)截面，觀察機(jī)房?jī)?nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況。圖4為天花板高度3m，回風(fēng)口在熱通道上方的特征截面處溫度云圖。溫度均在22～32℃區(qū)間內(nèi)，溫度分布合理。

圖4　方案5特征截面處溫度云圖

表2　不同回風(fēng)方案特征截面溫度

表2為不同方案，Y=1.75m特征截面的平均溫度。由于冷熱通道未封閉，回風(fēng)天花板越高，冷空氣越有可能越過(guò)機(jī)柜頂部直接回流。回風(fēng)口距離熱通道越遠(yuǎn)，離冷通道越近，冷空氣越有可能越過(guò)機(jī)柜頂部直接回流。

2.2送風(fēng)地板高度

圖5為不同地板高度下，機(jī)柜送風(fēng)口模擬風(fēng)量與總風(fēng)量的比值。可以看出，增大送風(fēng)地板高度對(duì)于調(diào)節(jié)后部機(jī)柜處風(fēng)量有較大影響。當(dāng)?shù)匕甯叨刃柙龃?.4m時(shí)，對(duì)于前部機(jī)柜有較明顯影響，風(fēng)量分布基本符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)?shù)匕甯叨仍龃蟮揭欢ǔ潭龋僭龃蟮匕甯叨龋瑢?duì)于氣流組織發(fā)揮的作用不再明顯。

圖5　地板高度對(duì)風(fēng)量分配影響

2.3擋板形式及高度

圖6為擋板緊貼機(jī)柜下方時(shí)擋板高度對(duì)流量分配影響。當(dāng)擋板緊貼機(jī)柜下方時(shí)，隨著擋板高度增大，前部機(jī)柜的流量分布趨向均衡，但大部分風(fēng)量都集中到了機(jī)柜后部。在增大至0.5m（地板高度一半）前，后部機(jī)柜流量和設(shè)計(jì)流量的偏差隨擋板高度增大而增大。增大至0.5m后，后部機(jī)柜流量和設(shè)計(jì)流量的偏差隨擋板高度增大而減小。擋板高度為0.8m時(shí)，流量分配效果較好。總體來(lái)看，該擋板形式對(duì)于調(diào)整后部機(jī)柜處流量，效果較差，且需要有較高的擋板高度。

圖7為擋板緊貼地板底部時(shí)擋板高度對(duì)風(fēng)量分配影響。當(dāng)擋板緊貼地板底部時(shí)，隨著擋板高度增大，機(jī)柜的風(fēng)量分布趨向均衡，在0.1m、0.2m處有較好的風(fēng)量分配。在擋板高度增大至0.5m后，進(jìn)一步增大擋板高度，對(duì)均衡風(fēng)量的影響不大。且增大至0.7m后，由于機(jī)柜前部入口處速度過(guò)大，機(jī)柜后部幾乎無(wú)風(fēng)量分配。該擋板形式，可以選用較上一種形式更低的擋板高度。

3　結(jié)語(yǔ)

地板下送風(fēng)形式在大型數(shù)據(jù)機(jī)房中已有廣泛應(yīng)用，本文對(duì)下送風(fēng)、上回風(fēng)、冷熱通道排布的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房的送回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部形式進(jìn)行了研究。運(yùn)用CFD模擬，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)機(jī)房的回風(fēng)天花板高度，送風(fēng)地板高度，送風(fēng)地板內(nèi)部架設(shè)擋板對(duì)于機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織及溫度分布的影響進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：

圖6　擋板緊貼機(jī)柜下方時(shí)不同高度對(duì)流量分配影響

圖7　擋板緊貼地板底部時(shí)不同高度對(duì)風(fēng)量分配影響

（1）在冷熱通道未封閉時(shí)，回風(fēng)天花板越高，回風(fēng)口距離熱通道越遠(yuǎn)，離冷通道越近，冷空氣越有可能越過(guò)機(jī)柜頂部直接回流，影響機(jī)房?jī)?nèi)部溫度分布。

（2）增大送風(fēng)地板高度對(duì)于調(diào)節(jié)后部機(jī)柜處風(fēng)量有較大影響。在一定范圍內(nèi)，增大地板高度，有利于氣流組織均衡。當(dāng)?shù)匕甯叨仍龃蟮揭欢ǔ潭龋疚氖?.4m后，再增大地板高度，對(duì)于氣流組織發(fā)揮的作用不再明顯。

（3）在送風(fēng)地板下安裝擋板有利于氣流組織均衡。安裝方式上，擋板緊貼地板底部?jī)?yōu)于擋板緊貼機(jī)柜底部。擋板緊貼地板底部時(shí)，氣流組織更均衡且達(dá)到最優(yōu)效果需要的高度更低，節(jié)省材料。兩種安裝方法，擋板高度均有最優(yōu)值，高度過(guò)高會(huì)引起流道阻塞，造成后部機(jī)柜風(fēng)量不足。

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［2］高彩鳳，于震，吳劍林.典型數(shù)據(jù)機(jī)房熱環(huán)境分析及氣流組織優(yōu)化［Z］. 2013，43，101～106.

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Improvement and Numerical Analysis on the Airflow Distribution of Air Distribution System in Data Center

LU Nian， JIANG Zhen-xing， YU Dong-dong， XIE Jun-long
（School of Energy and Power Engineering of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

CFD software was used to simulate the airflow distribution of standard data center when the height of roof，height of raised floor and the style of underfloor baffle changed.The results demonstrates that with higher roof，data center would be hotter when hot aisle not closed。Higher raised floor makes a significant difference in improving the underfloor airflow distribution.When the height goes up to some extent，the role of further increase in height is no longer obvious.Underfloor baffle could help improve the underfloor air distribution，baffle cling to the floor is better than cling to the rack.The way that baffle cling to the floor requires smaller height to achieve better airflow distribution.In both of the two ways，the baffle height has the optimal value.When it is too high，it may block the port，the back of racks can not get enough air volume.

data center； numerical simulation； airflow distribution； underfloor air distribution

TU831

B

2095-3429（2015）01-0060-04

魯念（1990-），女，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事室內(nèi)氣流組織、制冷優(yōu)化方面的研究。

2015-01-09

2015-03-18