RBC數(shù)據(jù)機(jī)房的熱設(shè)計優(yōu)化分析

張義芳

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

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RBC數(shù)據(jù)機(jī)房的熱設(shè)計優(yōu)化分析

張義芳

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

以某無線閉塞中心（RBC）數(shù)據(jù)機(jī)房為基礎(chǔ)，利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對數(shù)據(jù)機(jī)房的上送風(fēng)方式和下送風(fēng)方式進(jìn)行模擬計算，得到機(jī)房內(nèi)機(jī)柜的溫度、速度及壓力分布，對二者進(jìn)行詳細(xì)比較；在下送風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，封閉RBC機(jī)柜之間的冷通道，改善優(yōu)化氣流的組織形式，計算得到機(jī)房內(nèi)各個變量。對比不同的送風(fēng)方式，可以得到下送風(fēng)方式，封閉冷通道，可以使得RBC機(jī)柜溫度最低，提高機(jī)房內(nèi)各個RBC機(jī)柜的熱可靠性。

數(shù)據(jù)機(jī)房；送風(fēng)方式；熱設(shè)計優(yōu)化；RBC

1　概述

近年來，我國已建設(shè)將近20條高速鐵路，CTCS-3（簡稱“C3”）級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是中國鐵路時速300～350km客運(yùn)專線的重要技術(shù)設(shè)備，是中國鐵路技術(shù)體系和設(shè)備現(xiàn)代化的重要組成部分。無線閉塞中心（RBC）是C3列控系統(tǒng)的地面核心設(shè)備，根據(jù)C3車載設(shè)備提供的列車位置，聯(lián)鎖提供的聯(lián)鎖進(jìn)路狀態(tài)、災(zāi)害防護(hù)（落物）信息，臨時限速服務(wù)器（TSRS）提供的臨時限速命令，生成針對所控列車的行車許可（MA），通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸給C3車載。因此，RBC設(shè)備的正常運(yùn)行是保證高速列車運(yùn)行安全、可靠、高效的核心技術(shù)之一。

RBC服務(wù)器24 h不間斷工作，持續(xù)時間長，散熱量大，造成機(jī)房熱負(fù)荷明顯增大。據(jù)統(tǒng)計，55%的電子設(shè)備失效是由于溫度過高引起的，過熱損壞已成為電子設(shè)備的主要故障形式［1］。而在機(jī)房的能耗構(gòu)成中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗已占到總能耗的37%，并有不斷增加的趨勢［2］。

使用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）方法可以有效預(yù)測模擬數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的風(fēng)速、壓力及溫度分布。利用ANSYS Icepak對機(jī)房內(nèi)不同的布置進(jìn)行模擬計算，比較優(yōu)化機(jī)房的送風(fēng)方式，可以改善氣流組織形式，降低RBC機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的溫度分布，提高RBC的熱可靠性。

2　物理模型及方案說明

本文以某RBC數(shù)據(jù)機(jī)房為實(shí)例，機(jī)房尺寸為6 m（長）×3.5 m（高）×7 m（寬），共放置10個RBC機(jī)柜，機(jī)柜面對面、背靠背進(jìn)行排列。每個RBC機(jī)柜的尺寸為1.105 m（長）×2.02 m（高）×0.648 m（寬），RBC機(jī)柜的位置、編號及空調(diào)的布置如圖1所示。機(jī)房內(nèi)空調(diào)尺寸為2.0 m（長）×2.8 m（高）×0.85 m（寬），送風(fēng)口尺寸為2 m×0.4 m，其送風(fēng)量為4.952 kg/s，送風(fēng)口空氣溫度為12.8 ℃。

RBC機(jī)柜內(nèi)主要布置了11個服務(wù)器和4個交換機(jī)，其示意如圖2（a）所示，單個服務(wù)器熱耗為220 W，單個交換機(jī)熱耗為70 W，單個RBC機(jī)柜總熱耗為2 700 W。此RBC數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)總熱耗為27 000 W。

由于RBC內(nèi)服務(wù)器和交換機(jī)的真實(shí)模型比較復(fù)雜，為了減少CFD模擬的計算量，可以使用ANSYS Icepak的參數(shù)化計算功能，計算得到單個真實(shí)服務(wù)器、交換機(jī)的系統(tǒng)阻力曲線。根據(jù)阻力曲線，可以計算得到服務(wù)器和交換機(jī)的簡化阻尼模型。建立機(jī)柜機(jī)架、機(jī)柜前后門（開孔率約為0.8）的熱模型，將簡化后的服務(wù)器和交換機(jī)模型放置于機(jī)柜內(nèi)，最終建立每個RBC機(jī)柜的熱仿真模型，如圖2（b）所示。整個機(jī)房內(nèi)的熱仿真模型如圖1所示。

目前，RBC機(jī)房常見的送風(fēng)方式主要有兩種，一種為上送風(fēng)方式，如圖3（a）所示；另一種為下送風(fēng)方式，即架空地板，使得機(jī)房內(nèi)的冷通道和熱通道分離，送風(fēng)口布置于空調(diào)底端，空調(diào)回風(fēng)口位于空調(diào)頂端。冷空氣通過通風(fēng)地板（開孔率0.8）進(jìn)入機(jī)柜之間的冷通道，然后在壓力差作用下，流入機(jī)柜冷卻服務(wù)器及交換機(jī)，機(jī)柜排出的熱空氣回流至空調(diào)回風(fēng)口，其示意如圖3（b）所示。在下送風(fēng)方式中，空調(diào)高度減小為2 m，進(jìn)風(fēng)口位于空調(diào)底端，回風(fēng)口位于空調(diào)頂端，其他條件不變。

3　計算結(jié)果比較

在ANSYS Icepak中分別對機(jī)房的上送風(fēng)方式和下送風(fēng)方式進(jìn)行了模擬計算，得到了機(jī)房的溫度、速度分布。

在上送風(fēng)方式下，兩列機(jī)柜最中間切面的溫度分布如圖4所示，可以看出，按照機(jī)柜的排列順序，最高溫度出現(xiàn)在1號、2號、6號、7號RBC機(jī)柜之間，勢必導(dǎo)致機(jī)柜進(jìn)風(fēng)的溫度非常不均勻。切面的最高溫度為25.32 ℃。

在上送風(fēng)方式下，兩列機(jī)柜最中間切面的速度矢量圖分布如圖5所示，在壓力差作用下，空調(diào)送風(fēng)口的冷空氣大部分先流入阻力較小的機(jī)房上部區(qū)域，然后在右側(cè)墻體的阻擋下，在兩排機(jī)柜之間形成很大的渦流區(qū)域。在服務(wù)器和交換機(jī)內(nèi)風(fēng)機(jī)的作用下，一部分冷空氣會流入RBC機(jī)柜，冷卻IT（RBC機(jī)柜內(nèi)的所有電子設(shè)備）設(shè)備；同時，另一部分冷空氣會與熱空氣一起，流入空調(diào)回風(fēng)口，造成了嚴(yán)重的氣流短路現(xiàn)象。

在上送風(fēng)方式下，兩列機(jī)柜的溫度分布云如圖6所示，沿著排列順序，RBC機(jī)柜的溫度逐漸升高，10個機(jī)柜溫度分布非常不均勻，最高溫度為34.108 ℃。

在下送風(fēng)方式下，兩列機(jī)柜最中間切面的溫度分布如圖7所示，冷空氣經(jīng)過地板的出風(fēng)口，直接流入兩列機(jī)柜中間的冷通道內(nèi)。與上送風(fēng)方式相比，各個機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度相對比較均勻。冷熱空氣混合后，造成1號、6號RBC機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度高于其他機(jī)柜，在1號、6號RBC機(jī)柜與空調(diào)之間，存在熱點(diǎn)區(qū)域。切面的最高溫度為21.444 ℃，與上送風(fēng)方式相比，降低了3.876 ℃。

在下送風(fēng)方式下，兩列機(jī)柜最中間切面的速度矢量圖分布如圖8所示，大部分冷空氣先流入冷通道，但是由于空調(diào)及機(jī)柜的布局，導(dǎo)致1號RBC機(jī)柜與6號RBC機(jī)柜之間形成一個小的渦流區(qū)域，渦流區(qū)域使得冷熱空氣混合，因此造成1號、6號RBC機(jī)柜進(jìn)風(fēng)的溫度高于其他機(jī)柜。氣流短路現(xiàn)象雖然減弱，但是仍然存在，局部冷空氣氣流會直接和機(jī)房頂部的熱空氣混合，然后流入空調(diào)，重新進(jìn)行換熱循環(huán)。冷熱空氣的區(qū)域仍然未分開。

在下送風(fēng)方式下，兩列機(jī)柜的溫度分布如圖9所示，1號、6號RBC機(jī)柜的溫度相對較高，最高溫度為27.409 ℃。與上送風(fēng)方式相比，RBC機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口溫度稍微均勻，最高溫度降低了6.7 ℃。

4　機(jī)房風(fēng)道優(yōu)化

由于下送風(fēng)方式存在氣流短路現(xiàn)象，導(dǎo)致RBC機(jī)柜進(jìn)風(fēng)的溫度不均勻。為了破壞氣流短路區(qū)域，將兩列RBC機(jī)柜面對面之間形成的冷通道區(qū)域進(jìn)行封閉，將機(jī)房內(nèi)的冷熱通道完全隔開，有效地優(yōu)化了機(jī)房內(nèi)的氣流組織形式。機(jī)房封閉冷通道的散熱示意如圖10所示。

封閉冷通道后，兩列機(jī)柜最中間切面的溫度云圖分布如圖11所示，各個機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度基本均勻，機(jī)房內(nèi)的冷熱通道完全隔開。冷通道內(nèi)的冷空氣只能流入RBC機(jī)柜，冷卻了IT設(shè)備后流出機(jī)柜，進(jìn)入熱通道。最高溫度出現(xiàn)封閉的冷通道與空調(diào)之間，因此空調(diào)與機(jī)柜之間的距離仍然需要優(yōu)化，以破壞熱點(diǎn)區(qū)域。

封閉冷卻通道內(nèi)，兩列機(jī)柜最中間切面的速度矢量圖分布如圖12所示，流入封閉通道的冷空氣，受頂部隔板的阻擋，只能流入RBC機(jī)柜，有效地破壞了氣流短路現(xiàn)象。

封閉冷通道后，兩列機(jī)柜的溫度分布如圖13所示。與圖9相比，可以看出，各個RBC機(jī)柜的溫度分布比較均勻，最高溫度降低了1.54 ℃。

在3種不同送風(fēng)方式下，10個RBC機(jī)柜正面最高溫度曲線如圖14所示；在3種不同送風(fēng)方式下，10個RBC機(jī)柜背面最高溫度曲線如圖15所示，采用下送風(fēng)方式可以明顯降低RBC機(jī)柜的正面溫度；在下送風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，封閉冷通道，可以進(jìn)一步降低RBC機(jī)柜的正面溫度，提高了RBC機(jī)柜的熱可靠性。

5　結(jié)論

1）利用ANSYS Icepak軟件分別對RBC數(shù)據(jù)機(jī)房的上送風(fēng)方式和下送風(fēng)方式進(jìn)行模擬計算，可以得到，數(shù)據(jù)機(jī)房采用下送風(fēng)方式比上送風(fēng)方式更能有效地降低機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備的溫度，各個機(jī)柜溫度分布相對均勻。RBC機(jī)柜最高溫度采用下送風(fēng)方式較上送風(fēng)方式降低了6.7 ℃；而且氣流組織趨于合理。

2）在下送風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，封閉了兩列機(jī)柜之間的冷通道，將冷熱空氣區(qū)域完全隔開，有效地破壞了氣流短路現(xiàn)象，優(yōu)化改善了氣流的組織形式，降低了各個RBC機(jī)柜的溫度，而且各個RBC機(jī)柜的溫度分布更加均勻，大大提高了RBC機(jī)柜的熱可靠性。

3）空調(diào)與RBC機(jī)柜之間的距離需要優(yōu)化，以破壞機(jī)房內(nèi)存在的熱點(diǎn)區(qū)域。

［1］于慈遠(yuǎn).計算機(jī)輔助電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計及熱測量技術(shù)的研究［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2000.

［2］呂愛華，梅勝，楊晚生.數(shù)據(jù)通信機(jī)房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試分析［J］.建筑節(jié)能，2010，288（2）：29-31.

Taking a Radio Block Center （RBC） room as an example， the paper introduces the simulation calculation of the upper and lower air supply modes in the machine room by using ANSYS Icepak thermal analysis software to get the temperature， velocity and pressure distribution of equipment cabinets and gives comparison between the two modes. In the lower air supply mode， all variables of the engine are calculated by closing the cooling channels of RBC cabinet and optimizing the airfl ow organization form. Through comparison of different air supply modes， it is concluded that the lower air supply mode and closed cooling channels can make the RBC cabinet lowest temperature and improve the thermal reliability of each RBC cabinet in the room.

machine room； air supply way； optimized thermal design； RBC

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.006

2015-05-20）