流體力學仿真在數據中心的應用分析

丁晨光

摘 要：計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，以下簡稱CFD）是20世紀60年代起伴隨著計算機技術迅速崛起的學科。CHAM公司在80年代推出了計算流體力學與傳熱學的首個商業化軟件PHOENICS。在其版本不斷更新的同時，新的通用軟件如FLUENT、STAR-CD、CFX等也相繼問世。CFD通用軟件以其模擬復雜流動現象的強大功能、人機對話式的界面操作以及直觀、清晰、流場的顯示引起了數據中心行業的關注。

關鍵詞：CFD 流體力學仿真 數據中心 系統優化 節能技術

中圖分類號：O368 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-0-02

通信設備需要在嚴格的環境保障中運行，IDC機房中的設備對環境的依賴程度就更高。機房空調要完成對機房溫度、濕度、潔凈度和氣流速度等環境參數的控制，確保機房環境達到通信設備的要求。溫度、濕度都是以氣流作為載體的，氣流就是機房空調對環境保障最直接的表現形式。良好的氣流組織，不僅可以節能，更能確保設備的安全穩定運行。

以下就CFD仿真在數據中心設計、改造等應用中的案例進行簡要分析。

1 某機房設計階段CFD應用

1.1 機房概況

機房機柜按照冷熱通道隔離原則擺放，機房設計采用地板下送風+冷通道封閉，自然回風的氣流組織設計，熱氣流受到空調回風口負壓影響，被抽回空調進行冷卻；冷卻后的冷空氣通過地板下部的空調出風口進入機房活動靜電地板下，冷空氣在活動防靜電地板下形成冷氣流正壓靜壓層，通過布置在機柜前端的通風地板進入冷通道，形成穩定的二次正靜壓，再從機柜正面進入機柜，給服務器降溫。

為了更加直觀地了解機房內的氣流組織情況，合理使用冷量，本設計方案依據已經掌握的數據中心冷卻規律，從節能和充分利用精密空調能量的角度，并借助專業的氣流組織分析軟件進行模型建立，驗證該機房內氣流組織設計的合理性。

1.2 CFD仿真優化

進行氣流組織計算時發現該機房左側空調負載較其他空調高。其中一臺達到90kW，1臺達到104kW，而右側空調負載率基本處于70～80kW之間，較為均衡。

造成此狀況的原因是機房南側空調分布較不均勻，左側兩臺空調長期在此狀態下運行，易加快設備老化，增加能耗、故障率及維護成本。采用分布更加均勻的空調布放方式，具體方案為改11臺（9用2備）100kW空調為12臺（10用2備）90kW空調，其中新增一臺空調設置于機房西南側。優化方案和原方案主用空調總制冷量均為900kW，針對本項目借助氣流組織分析軟件對比如表1所示。

對比CFD仿真分析以上兩種情況可以發現，優化方案機房溫度截面及機柜最大出風溫度較原方案能得到明顯改善及均衡。優化方案空調負載控制在66～85kW，相比于原方案負載更為均勻，空調能延長使用壽命，降低全生命周期能耗、故障率及維護成本。

2 某機房地板下氣流組織改造優化

2.1 機房概況

機房采用地板下送風+冷通道封閉模式，處于已建成試運行階段，試運行階段發現部分機柜存在熱點現象，易造成宕機風險。經初步分析，機房由于柱體較粗、機房為不規則格局（非標準矩形），導致地板下存在局部渦流現象以及柱體后部分機柜較熱現象。借助專業的氣流組織分析軟件進行模型建立，并證實初步分析結果及分析改造方案。

2.2 CFD仿真分析

當柱體位于冷通道內，受地板下送風風速影響造成的靜壓差，地板出風量由近空調端至遠空調端總體呈上升趨勢。柱子位于列間時，總體出風量較為平滑均勻；當柱子完全位于冷通道時，柱子前方地板出風量教高，柱子后方出風量較低，受影響較為顯著。

通過在地板下增加導流隔板引導地板下送風氣流，調整局部負壓，調整渦流中心位置達到改善地板出風均勻的目的，借助氣流組織分析軟件進行地板下導流板方案驗證及調整。

對比CFD仿真分析以上兩種情況可以發現借助氣流組織分析軟件反復調整地板下導流板位置，可大大改善冷通道內送風量情況，減少局部熱點現象。

3 結語

數據中心機房不是簡單的理想模型，由于機房專用空調是大風量低焓差的空調設備，空調出風風速較快，受機房柱子、空調位置、機柜位置等諸多因素影響，在地板下形成氣流渦旋導致部分通孔地板無正壓送風、地板送風量達不到理論均勻送風效果是普遍存在的現象。因此CFD仿真在參與數據中心設計及改造等場景具有一定的理論使用價值，對于機房熱點規避具有很直觀的參考依據，設計師在使用過程中應當根據實際落地運行結果不斷積累經驗，同時結合歷史經驗、CFD仿真結果、現場實際情況進行對照，方能做到機房布局最優解。

參考文獻

[1] 秦學禮.空氣調節設計手冊[M].3版.北京.中國建筑工業出版社，2017：449.

[2] 彭殿貞.綠色數據中心空調設計[M].北京.中國建筑工業出版社，2015：79.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京.中國建筑工業出版社，2008：1886.