基于熱對流定律的海底數據中心散熱優化設計

王菲 魏萍 梁家豪

摘要：海底數據中心項目不僅無須占用陸上資源，還能節約能源，是一種綠色可持續發展的大數據中心解決方案。為此，將數據中心的實際散熱問題簡化為平面熱流模型，通過確定邊界條件將流體力學問題轉化為線性規劃模型，利用Matlab求解得到IU服務器的最優個數范圍，同時利用Workbench中瞬態熱力學模塊進行IU服務器的最優個數分析檢驗，解決了數據中心的散熱問題。

關鍵詞：熱對流定律；能量方程；Workbench

中圖分類號：TP308文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0040-04

Thermal Optimization Design of Subsea Data Center Based on the Law of Thermal Convection

WANG FeiWEI PingLIANG Jiahao（Shandong University of Science and Technology， Resource College， Taian Shandong 271019）

Abstract： The subsea data centre project not only eliminates the need for land-based resources， but also save energy consumption， which is a completely green and sustainable solution for large data centers. For this ， the actual heat dis？ sipation problem of the data center is simplified into a planar heat flow model， and the hydrodynamic problem is transformed into a linear programming model by determining the boundary conditions， and the optimal number range of iu servers is obtained by using Matlab solution. Further， the optimal number of iu servers is analytically checked using the transient thermodynamics module in Workbench，the heat dissipation problem of the data center is settlecd.

Keywords： thermal convection law；energy equation；Workbench

1研究背景

據相關統計，全球數據中心每年消耗的電量占全球總電量的2%左右，然而其中能源消耗的成本占全行業的30%～50%，尤其是電子元器件散熱所耗能量占比巨大。海底數據中心項目（Project UDC）的原理是將服務器等互聯網設施安裝在具有冷卻功能的海底密閉的壓力容器件中，用海底復合纜供電將數據回傳；至互聯網海底數據中心與海水進行熱交換，利用大量海水的流動對服務器等互聯網設施進行散熱，有效節約了能源。與此同時，海底數據中心對陸地占用極少，沒有冷卻塔，也無須淡水消耗，既能夠包容海洋牧場等生態類活動，又能夠與海上石油平臺等工業類活動互相服務。將數據中心部署在沿海城市的附近水域，能夠有效縮短數據與用戶的距離，不僅無須占用陸上資源，還能節約能源消耗，是一種綠色可持續發展的大數據中心解決方案。

2基于熱對流定律的服務器基礎模型

2.1數學化處理

由于所研究的物體長寬遠大于其厚度，可以近似認為它是一塊無限大的平板，即認為其在熱傳導過程中，長度和寬度的邊緣對板四周的傳熱造成溫度變化影響極小，將傳熱問題在空間角度上僅看作厚度的函數，將熱傳導過程簡化為一維熱傳導問題。于是將其抽象和簡化為長方體薄片，建立如圖1所示的坐標系。

但是，本研究中由于高溫熱源與低溫熱源之間的溫差不是很大，故而認定其熱傳導系數、密度、熱容以及厚度均不變。

其中，A為服務器內部，B為服務器與集裝箱之間的空氣層，且三層與外界環境接觸。分別將A、B、C層記為三層介質。

2.2物理背景

熱力學過程有3種基本傳熱方式。熱傳導是指微觀粒子熱運動而產生的熱能傳遞，固、液、氣內部傳熱均存在熱傳導，主要基于傅里葉定律計算；熱對流是指由流體宏觀運動引起的熱量傳遞過程，主要考慮流體與物體接觸面的熱交換，基于牛頓冷卻公式計算；熱輻射是指物體通過電磁波傳遞能量，可發生在任何物體中。

數據中心自身的產熱先通過熱傳導的方式到達集裝箱殼體，然后由集裝箱周圍的冷卻介質（海水）以對流換熱方式將集裝箱外殼處的熱量隨著流體的流動帶走。為簡化模型，只考慮熱對流和熱傳導的傳熱方式[1]。

根據流體流動的特點，熱對流可分為自然對流和強制對流。這里主要考慮自然對流換熱。

2.2.1自然對流。固體與流體間存在溫差，導致流體內部溫度不均勻，其在重力作用下產生浮升力促使流體向上發生流動現象，并引發熱量的相互交換，即自然對流換熱。其中，反映自然對流換熱強度的大小為格拉曉夫數Gr。

式中：Pr為普朗特數，是反映流體物理性質對對流換熱影響的準數，表示運動黏度與導熱系數的比值，表明流體動量和熱量傳遞能力的相對大小，還表明了溫度場與速度場之間的相似程度；μ為氣體動力黏度；Cp為氣體比熱；K為導熱系數；Gr為格拉曉夫數，反映由于流體各部分溫度不同而引起的浮升力與黏性力的相對關系；r為氣體密度；b為氣體膨脹系數；L為特征長度；T為溫度；μ為氣體動力黏度。

利用Matlab求解上述規劃問題，得到在僅考慮散熱問題下的海底集裝箱內可容納的數據箱為210～300個。

3.4模型求解

為了檢驗上述模型的準確性，利用Ansys軟件對其進行流體仿真分析[5]。Ansys是一款專門用于電子散熱領域的三維熱仿真和優化設計軟件。設計人員可以用該軟件創建產品的虛擬模型，分析產品內部的溫度分布、氣體流動、熱量傳遞過程等，也可以預測產品可能出現的熱風險，并進一步改善產品設計，提高產品的熱可靠性。An？ sys fluent軟件工作流程如圖3所示。

通過對集裝箱和服務器進行建模，將其導入軟件中并對其進行相關約束設置，得到如圖4所示的分析結果。

通過結果云圖可以看出，在只考慮對流散熱的情況下，服務器的可容納量最大值為242，介于求解區間。

4結語

數據中心是全球協作的特定設備網絡，用來在Inter- net網絡基礎設施上傳遞、展示、計算、存儲數據信息。簡單來講數據中心就是將數量龐大的服務器放在一起，提供運行應用來處理商業和運作數據的組織。

對于海底數據中心，如何在有限的體積內存放更多的服務器且保證服務器工作過程中能夠向海水快速散熱是一個非常具有挑戰性的問題。將數據中心實際散熱問題簡化為平面熱流模型，依據海水的熱傳導規律分析轉換成體積與溫度兩個因素，在只考慮服務器散熱需求的情況下，通過確定邊界條件將流體動力學問題轉化為線性規劃模型，并且利用Matlab求出海底集裝箱內可容納的數據箱為210～300個。為了檢驗模型的準確性，利用Ansys軟件對其進行流體仿真分析。通過結果云圖可以看出，在只考慮對流散熱的情況下，服務器的可容納量的最大值為242，介于求解區間。同時，進一步利用Workbench中的瞬態熱力學模塊對IU服務器的最佳數量進行測試。

外界環境溫度是影響海底數據中心中IU處理器工作狀況的最重要因素。所以，相關研究所應海底根據季節變換準確標定海底數據中心的表層溫度，從而控制海底數據中心的下潛深度，保證IU服務器的安全運作。

參考文獻：

[1]范慶凱，李江海.海底地形對洋中脊熱液對流活動的影響研究：基于海水壓力的空間變化[J].海洋學報，2020（9）：61-68.

[2]DAI G L.Designing nonlinear thermal devices and metamaterials under the Fourier law： a route to nonlinear thermotics[J].Frontiers of Physics，2021（5）：53001.

[3]ALOTAIBI A，NADEEM F.A review of applications of linear programming to optimize agricultural solutions[J].International Journal of Information Engineering and Electronic Business，2021（2）：11-21.

[4]BANSAL A，UZSOY R. Constraint violation reduction search for 0–1 mixed integer linear programming problems[J]. Engineering Optimization，2021（4）：609-626.

[5]WU G X，ZHAO X L，SHI D D，et al.Analysis of fluid–Structure coupling vibration mechanism for subsea tree pipeline combined with fluent and Ansys Workbench[J].Water，2021（7）：955.