海底數(shù)據(jù)中心的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

桓榮雨

編者按：受“大數(shù)據(jù)”及“互聯(lián)網(wǎng)+”熱潮以及國(guó)內(nèi)政策因素驅(qū)動(dòng)的影響，全球數(shù)據(jù)中心行業(yè)都呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。近年來提出了“海底數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目（Project UDC）”，通過將服務(wù)器等設(shè)施安裝在具有先進(jìn)冷卻功能的海底密閉的壓力容器中，通過與海水進(jìn)行熱交換，利用巨量流動(dòng)海水對(duì)其散熱，大大節(jié)約了土地資源、水資源等。

這篇文章研究了大體積的集裝箱外殼放入海底會(huì)引起水壓場(chǎng)的變化。通過熵權(quán)TOPSIS法分析評(píng)價(jià)幾種較為合適的材料，最后選擇了鋁合金5052。通過應(yīng)用面元法計(jì)算海底數(shù)據(jù)集裝箱在不同深度中引起的壓力場(chǎng)變化，對(duì)水壓進(jìn)行定量分析，為了避免水下生物撞擊引起集裝箱外殼損壞，同時(shí)也研究了其耐壓結(jié)構(gòu)。由于實(shí)際條件的限制，作者通過有限元仿真軟件MARC對(duì)外殼承受的壓力進(jìn)行仿真分析，最終得到優(yōu)化后的深度。

問題重述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球數(shù)據(jù)中心每年消耗的電量，占全球總電量的2%左右，而其中能源消耗的成本占整個(gè)IT行業(yè)的30%-50%，特別是電子器件散熱所需消耗的能量占比極大。

目前，國(guó)內(nèi)大數(shù)據(jù)中心主要建設(shè)在內(nèi)陸地區(qū)，但大數(shù)據(jù)中心建設(shè)在陸地上需要占用大量土地，冷卻時(shí)需要消耗大量的電能和冷卻水資源，并花費(fèi)大量建設(shè)成本。由于沿海發(fā)達(dá)省市數(shù)據(jù)中心增長(zhǎng)迅猛，類似的資源矛盾尤為突出。

問題1：固體在液體中的冷卻的方式主要是對(duì)流傳熱，對(duì)流傳熱可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。假定數(shù)據(jù)中心集裝箱的尺寸為直徑1m，長(zhǎng)12m的圓柱形，懸空放置（圓柱形軸線與海平面平行）在中國(guó)南海溫度為20攝氏度的海域深度，其中單個(gè)1U服務(wù)器的產(chǎn)熱為500W（正常工作溫度不能超過80攝氏度），1U服務(wù)器機(jī)箱的高度為44.45毫米，寬度為482.6毫米，長(zhǎng)度為525毫米，請(qǐng)?jiān)u估單個(gè)集裝箱外殼中最多可以放多少個(gè)服務(wù)器（僅考慮服務(wù)器的散熱需求）。

問題2：假定集裝箱外殼最大尺寸不超過1m×1m×12m，結(jié)合第一問的分析，如何設(shè)計(jì)集裝箱外殼的結(jié)構(gòu)（如在圓柱體，長(zhǎng)方體等上考慮翅片結(jié)構(gòu)），可以實(shí)現(xiàn)最大化的散熱效果，即存放更多的服務(wù)器。

問題3：較深的海水具有較低的溫度，能取得更好的散熱效果，同時(shí)增大的壓力會(huì)對(duì)集裝箱外殼的耐壓能力提出更高的要求;值得注意的是海水本身是一種強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)，直接與海水接觸的各種金屬結(jié)構(gòu)物都不可避免地受到海水的腐蝕。需進(jìn)一步選擇合適的材料和海底深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限。

模型假設(shè)

（1）現(xiàn)實(shí)中集裝箱中的流體流動(dòng)時(shí)會(huì)受到阻力。為了方便計(jì)算，我們假定模型中的集裝箱絕對(duì)平滑，而忽略了阻力對(duì)流體流速的影響。

（2）集裝箱內(nèi)服務(wù)器產(chǎn)生的熱量能通過外殼，整體均勻地被海水完全吸收和帶走。

（3）流動(dòng)的海水在集裝箱附近沒有回旋，即流向集裝箱的海水以垂直于圓柱體高線的方向均勻流動(dòng)，且海水的溫度恒定為20 ℃。

（4）每一臺(tái)服務(wù)器都正常運(yùn)行，且穩(wěn)定產(chǎn)熱500 W。

（5）流經(jīng)海水的密度和比熱容整體不變。

符號(hào)說明

本文中用到關(guān)鍵數(shù)學(xué)符號(hào)如表1所示。

模型的建立與求解

問題3的建模與求解

（1）問題分析

問題3要求在問題2設(shè)計(jì)的集裝箱外殼翅片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步綜合各類參數(shù)，包括材料彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、密度等屬性，考慮價(jià)格、海底復(fù)雜的自然環(huán)境、自然災(zāi)害等因素，優(yōu)化集裝箱的外殼材料。為此我們可以考慮采用熵權(quán)TOPSIS法來進(jìn)行研究。同時(shí)綜合考慮集裝箱外殼的抗壓能力、散熱性能、制造和維護(hù)成本、使用年限，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)中心集裝箱的工作深度。為此我們可以考慮利用面元法計(jì)算海底數(shù)據(jù)中心集裝箱在不同深度海水中引起的壓力分布，基于受力分析對(duì)集裝箱外殼進(jìn)行作用力分析，同時(shí)考慮在一定材料、一定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的集裝箱外殼所能承受的壓力限度，對(duì)其承受的水壓進(jìn)行定性分析，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)集裝箱深度。共分兩步進(jìn)行。

（2）問題求解

我們?cè)谶x擇數(shù)據(jù)中心集裝箱外殼材料的時(shí)候，需要綜合考慮多方面的因素。材質(zhì)的密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、電位、價(jià)格、是否耐腐蝕，甚至不同金屬間可能存在的相互作用都是材料選擇時(shí)需要考量的因素。首先，對(duì)于主體材料的選擇我們排除掉貴金屬，因?yàn)閮r(jià)格過于高昂，超出制造成本。然后，剔除掉強(qiáng)度不夠的復(fù)合材料。然后通過熵權(quán)法對(duì)其進(jìn)行研究。

熵權(quán)TOPSIS法是一種客觀賦權(quán)方法，其根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán)，再通過熵權(quán)對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，從而得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重。在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用越大，權(quán)重就越高。其評(píng)價(jià)結(jié)果主要依靠客觀資料，幾乎不受主觀因素影響，可以在很大程度上避免人為因素的干擾。具體數(shù)據(jù)見表2—表6。

對(duì)于材料的選擇，鈦合金雖然可以達(dá)到極佳的性能、并且抗腐蝕性優(yōu)異，但是由于高昂的造價(jià)并不適用于容器的制作;復(fù)合材料在目前備受關(guān)注，并且它也具有極強(qiáng)的抗腐蝕性以及相對(duì)優(yōu)異的成本優(yōu)勢(shì)，但是它并不能承受過大的水壓，因此無法被使用。最終選擇使用鋁合金Aluminum alloy 5052作為容器的制作材料，為了防止容器的腐蝕，其表面做了大量的涂層以避免與海水的直接接觸;并且為了防止由于涂層脫落導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生，還采用了陰極保護(hù)的手法，之所以選擇鋅是因?yàn)樗粫?huì)對(duì)海洋環(huán)境造成破壞。

大體積高質(zhì)量的海底數(shù)據(jù)中心集裝箱放入海水中會(huì)引起水壓場(chǎng)的變化，對(duì)此我們通過面元法計(jì)算海底數(shù)據(jù)中心集裝箱在不同深度海水中引起的壓力分布，同時(shí)通過計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究水壓場(chǎng)的分布特征。同時(shí)我們注意到，在深海環(huán)境中，耐壓外殼所受靜水壓力大，一旦受到海洋生物或者人類活動(dòng)沖擊，將十分危險(xiǎn)。這也是影響數(shù)據(jù)中心集裝箱正常工作的一大因素，我們同時(shí)將通過有限元仿真技術(shù)，對(duì)此進(jìn)行集裝箱外殼圓柱體耐壓結(jié)構(gòu)研究，匹配最適深度。

由于深水環(huán)境中，靜水壓力過大，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)集裝箱深度時(shí)，還要考慮到集裝箱外殼遭受沖擊后所引發(fā)的后果。由于現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，以及海底環(huán)境過于復(fù)雜，影響因素眾多，不利于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，所以通過深海仿真模擬的方法來進(jìn)行研究。采用有限元仿真軟件MARC進(jìn)行仿真分析。根據(jù)陳煒然的研究成果，受深水壓力影響，水下集裝箱外殼的防撞性隨著撞擊水深的增加而下降。因此考慮深海環(huán)境中的防撞因素是十分有必要的。數(shù)據(jù)中心集裝箱外殼各項(xiàng)參量參數(shù)見表7，其受力測(cè)試結(jié)果曲線圖見圖1。

通過圖1我們可以得知集裝箱外殼不同受力點(diǎn)的受力極值，通過對(duì)相關(guān)參量與力學(xué)能量轉(zhuǎn)換的計(jì)算，得出了水下數(shù)據(jù)中心集裝箱外殼的受力極值。

裝有服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心入水時(shí)，需要重力配載入水，首先由于流體的阻力與入水時(shí)的速度質(zhì)量成正比，下放過程中，集裝箱外殼會(huì)受到較大阻力影響，能否在一定限度上減小流水阻力對(duì)集裝箱外殼的不利影響也十分重要。隨著入水深度的增加，靜水壓線性也會(huì)顯著增加。在此基礎(chǔ)上，我們針對(duì)深度優(yōu)化問題，進(jìn)行下一步的研究。

海水的深度變化所帶來的壓力變化，對(duì)海底數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的耐壓和密封性都提出了更高的要求。并且，隨著海水深度的增加，而系統(tǒng)內(nèi)部壓力過低，易造成集裝箱內(nèi)外海水難以正常交換，會(huì)影響服務(wù)器的正常散熱。

查閱資料，了解到中國(guó)海域的深度與壓力比照表。比對(duì)各深度海水壓力與集裝箱外殼和各取點(diǎn)的受力極限，深度為270米為優(yōu)化后的最適深度。

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