通信机房气流组织的模拟与分析
第27卷,总第153期2009年1月,第1期
《节能技术》
ENERGYCONSERVATl0NTECHNOLOGY
V01.27.Sum.No.153
Jan.2009,No.1
通信机房气流组织的模拟与分析
简弃非1,魏蕤1。颜永明1,杨苹2
(1.华南理工大学机械与汽车工程学院,广州
五山510640;
五山510640)
2.华南理工大学电力学院,广东省绿色能源技术重点实验室,广州
摘要:为了应对随着电子元件单位面积散热量越来越高对通信机房的热管理提出的严峻挑战,本文利用实际测试数据,通过计算流体力学(cFD)模拟的方法对通信机房的室内环境进行了研究,比较分析了机房内不同高度处温度场和速度场的分布,得出了机房中气流组织的分布特点,评估了气流组织的合理性,为实现通信机房有效的热管理和节能改造提供了依据。
关键词:CFD;通信机房;气流组织;机架中图分类号:TU831
文献标识码:A
文章编号:1002—6339(2009)01一0035—05
AnalysisandSimulationofAirDistributionin
a
DataCenter
JIANQi—feil,WEIRuil,YANYong—min91,YANG
Pi哥
0640)
(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering;
2.GuangdongkeylaboratoryofCleanenergytechnology。SouthChinaUniv.ofTech.Guangzhou51
Abstract:Thermalmanagementofdata
centers
is
becoming
areaor
a
challenging
using
task船the
current
trendstowardin
con—
creasing
ditionin
electroniccomponentheatdissipatedper
a
volume.This
simulation
paper
investigatedtheenvironment
datacenterbycomputationalfluid
dy叫nics
the
original
measured
data.Velocity
andtemperaturefieldsinithavebeencomparedintermsofdifferentheight,theairdistributioncharacteristicWasobtainedandthentherationalityWas
evaluated.This
center.
workpresentedproofforenergysavingretrofitand
executingeffectivethermalmanagementindata
Keywords:computationalfluid
dynamics;data
center;airdistribution;severrack
1引言
环境条件要求越来越高;另一方面,作为通信机房热管理主要设备的空调系统每年消耗大量的电能。据统计,平均每个通信机房中空调的电费支出约占总电费的54%左右【¨,空调系统成为通信机房中的主要用电设备,怎样在节省能量的情况下使通信机房的环境条件达到满足数据处理设备的工作要求,这为通信机房的热管理提出了严峻的挑战。关于这一课题国外做了大量的研究,CFD被广泛用来分析和优化通信机房和数据处理设备内部的气流组织和温度分布[2-3]、确定地板高度【4]及开孔面积【引、对比不
・
通信机房作为数据处理和电子通讯设备的存放基地,热负荷大,对环境条件要求高。特别是近年来随着电子设备的体积小型化、功能多样化以及运行速度的不断提高,单位面散热量大幅增长,对机房的
收稿日期2008—10—07修订稿日期2008—1l一15
作者简介:简弃非(1963一),男,汉族,湖南邵阳人,博士,硕士研
究生导师。
35
・
万方数据
a)1(
同的机架布局方式[6-7】对机房环境的影响等,同时还提出了无量纲参数E8]、能量【9-10]等评估方法来评估机房的运行工况和能量利用效率。然而这些研究主要针对的是机房专用空调地板送风的方式,对大量采用中央空调的国内通信机房的扩容和节能改造指导意义有限。本文通过CFD模拟了采用中央空调的通信机房内的气流组织情况,主要分析了速度场和温度的分布,为通信机房的节能改造提供指导。
2数值模型
2.1模拟对象及其简化
本文选取了广州某典型的通信机房作为研究对象,此机房处于五楼,长23.48m,宽14m,高3m,除了机房的东墙是外墙其它都与具有相同环境条件的机房用隔离墙隔开,没有冷量的流通,东墙内表面进行了特殊的隔热处理。机房内一共有8排机架,每排机架数量8到16不等,机架的几何尺寸为:长×宽×高=1
m×0.6m×2
m,详细见图1。机房采用
非典型的上送侧回送风方式,送风口高度为3m,一共有9排,每排5个,分布于两排机架中间上部的天花板,几何尺寸为:长×宽=0.25
m×0.5
m,如图1
中蓝色矩形所示;回风口有两个,设在机房的西侧靠南墙面,几何尺寸分别为:长×宽=2
inx
1.8
m和
1.6m×1.8
m,如图1中红色矩形所示;空调系统全
天候运行。
通信机架均简化为长方状,由于机房内部人员停留时间较短,照明设备只有在有人停留时才使用,人体散热和照明设备的散热相对主要设备的功率来说可以忽略不计。
Y
zCx
1Grid
Sep17,2008
FLUENT6.3(3d,pbns,ske)l
图1机房几何模型
Fig.1
data
center’s
geometrymodel
・36・
万
方数据图2机房网格图
Fig.2
data
center’s
meshmodel
(注:风口从北到南依次为A—1分为9排,从西到东分依次为l~5号)2.2控制方程
。
因为涉及到典型的流速和特征尺寸,流动为湍流,所以采用k一£双方程模型对通信机房进行模拟。模拟过程作如下假设:(1)室内气体低速流动,可视为不可压缩流体,忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热;(2)流动为稳态紊流;(3)满足Boussi.nesq假设,认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响。模拟采用的数学模型表达式如下:
连续性方程:
一dUx+鲁+孥:o—x+石+瓦2
u
【l’
动量守恒方程:
lDL瓦+瓦“x+瓦叶+瓦%,2r8ux
attx
aIIx
aux、L瓦+百
fOaxar塑
+窨)+工
(2)
lDL一+瓦ux+瓦“y+瓦,叫瓦+百P(垫3t+鲁u;+篝“,+篝lIz):(鲁+鲁
+卺)+乃
”
。
Pc篝+箦‰+考叶
卜
堕以
丝k
叱
=
熟以昵一k
+
+鲁)+正
㈤噍吵㈤鱼可钔
吼:一p+2户万a
rti
(5)铲p(考+垫0i)
(6)
能量方程:
P筹=一酬同+[掣+掣+
3(uk)3(2坠)a(订丝)3(“玉).3(%)
+
3z。+
a-+1y
3z
+
a戈一+
掣掣+掣掣]+d~zv(k’grad—1)+&——芦+——j_J+L
,+JE
(7一)L,
一,
”_
本文采用通用CFD软件fluent6.3进行模拟,用控制容积法离散微分方程组,采用SIMPLE算法求解速度压力偶合方程。扩散项采用中心差分的离散格式,动量方程与能量方程的离散格式选用一阶迎风格式。Fluent选用已标定残差来控制方程的收敛精度,模拟时各计算残差曲线都趋水平以保证各参数值的稳定。
2.3网格划分及边界条件处理
首先采用Fluent公司的Gambit软件建立几何模型,整个计算空间873m3,考虑到通信机房的复杂性,本文采用混合网格对计算区域进行离散,对送风口、回风口以及机架周围进行网格加密,所得网计算节点313929个,离散单元1
691
792个。
本文重点分析在实测条件下此通信机房的气流组织分布情况,送风口设置为速度边界条件,送风温度12.1℃,风速根据实测值设置,大小0。8.5m不等,各风口风风速详见表1,回风口为压力出口,在机房环境条件下回风。通信机架设为热通量边界(HeatFlux),数值上取其总发热量与散热表面积之比。此通讯机房处于五楼,周围为相同温度条件的通讯机房,机房的围墙、地板设为恒温边界。
表1实测各送风口速度(单位:m/s)
Tab.1
theoriginaldatame∞lred
at
every
inlet(unit:m)
送风U
ABCDEF
G
HI8.27.92.66.52.779
32
1.24.5
4.8
6.96.25.98265.62.5关闭
1.72.22.97
6O4.72.63.27.18.76.86●2
765.12
1.4
2.8
3.2
6.2
8
6●
关●互Z置闭舟一j卫
5
8
4.1
3数值模拟结果及分析
3.1速度场分析
上图分别为通信机房不同高度平面的速度矢量图。通信机房的进深较大,回风口设在房间的一角,从图中可以看出,上送侧回的送风方式造成房间气流组织的不均匀,室内个部分风速差异明显,大小
0.0037~7.86
m不等,这跟实际情况相符合。远离
回风口一侧的闲置空间上方没有送风口,空气扰动微弱形成了滞留区。F排左侧没有放置机架,回风口低压使来自前面机架的回风在这一区域加速,形成的风阻使F排和G排右侧机架间空气滞留,回风困难。
万
方数据图3
Z=0.3速度矢量图(单位:m/s)
Fig.3
velocityveetiⅪ-map0fplane
Z=0.3(unit:m)
图4
Z=1速度矢量图(单位:m/s)
魄.4
velocity
vector
mapofplaneZ=I(unit:m)
图5
Z=2速度矢量图(单位:m/s)
Fig.5
velocity
vector
mapofplaneZ=2(unit:m)
・37・
从图Z=0.3可以看出,大风量送风口形成的高速射流未来得及衰减可以直接到达地面形成反冲,同时卷吸周围空气,在地面附近和风口周围形成涡流,加速了空气流动。小风量送风口风速偏低,并且易受周围空气特别是相邻风口的风速影响,在达到地面之前已经衰减完毕,因此小风量送风口下方空气扰动较小。对比三张图可以发现,空气扰动随着高度的增加而减小,这是因为射流宽度同到射流源的距离成正比,在2m处射流还没有扩张开来,在
1
m处射流进一步扩张并卷吸周围空气扰动加强,在接近地面处反冲使空气沿着地面流动,扰动强化。回风口设在机房的一侧,由于机架的阻挡只能
通过两侧的通道回风,在接近通道处的送风口风速过大容易造成冷空气来不及换热直截随前面的回风到达回风口,造成冷量浪费;同时高速送风对前排机架的回风和同排回风造成风阻,影响回风,这种情况如送风口F1。由此可以看出,在风量的调节时应该相对调小接近通道处送风口风量,同排送风口中间风口风速较高有利于机架间热空气的及时回风,如C排送风口。
图6
Z=O.3温度分布图(单位:K)
Fig.6
temperaturemapof
planeZ=0.3(unit:K)
3.2温度场分析
上图是整个机房在不同高度处的温度分布图,从图中可以看出:在远离送风口的一侧(东北角)出现了局部过热,达到28't2左右;接近回风口的两排机架周围也有不同程度的温度相对过高。这跟上面速度场的分布相符。机架的散热能力跟周围空气的运动密切相关,空气的高速流动加强了与机架的对流换热,使机架的热量能随着周围空气的循环及时
・
38
・
万
方数据的排出,相反,空气滞留区的对流换热强度小,同时由于滞留热量很难通过空气循环带出,使这一区域的空气温度升高,减小了换热驱动力。
图7
Z=1温度分布图(单位:K)
Fig.7
temperaturemap
of
plane
Z=1(unit:K)
图8
Z=2温度分布图(单位:K)
Fig.8
temperaturemapofplane
Z=2(unit:K)
对比同一排送风口下不同高度处机架的温度,大约有0~2.5℃的温度梯度,这在通信机房中是符合要求的。高速送风口下在z=2高度处机架温度略高,而低速送风口下Z=0.3高度处机架温度略高,Z=1高度处机架温度介于两者之间。风速过高,在达到机架顶部之前还没有扩展开,机架表面处于卷吸形成的涡流边缘,这一部分的对流换热程度
较弱;在Z=1高度涡流扩散开来加强了换热,未衰
减完全直接到达地面形成反冲形成的绕动加强了底部机架的换热;小风量送风口的风速在通信机架顶部扩散开来,到达中部完成衰减,通信机架的中上部换热效果良好。由此可得,不同风量的送风口交错排列相对于同风量送风口相邻排列换热效果较好,有利于提高冷空气的利用率节省能量。
raisedfloordataTransactions
on
centers
usingcomputationalflowanalysis,IEEEand
PackagingTechnologies
.
Computer
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controllingairflowdistributioninraised—floordatacenters,Adv.
Electron.Packag.2(2003)621—628.
[53R.Schmidt,E.Cruz,Cluster
in
a
ofhighpoweredrackswith.
4结论
在研究通信机房的热管理过程中,结合CFD数值模拟可以得到合理的机架摆放位置以及气流组织方式,以便在保证通信机房的微观环境条件的前提下,提高冷空气的利用率,降低空调能耗:在此非典型的上送下回送风方式的通信机房中,应该尽量避免远离回风口一侧形成空气滞留区;机房空间应该充分利用,在没有摆放机架的闲置空间容易形成低压区,引起冷空气聚集浪费能量;在同一排送风口的组合上,不同风量的送风口交错排列优于同风量送风口相邻排列,并且接近通道的送风口风量应相对较d,o
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basedfigureof
energy—
merit
for
electronicpackag皓,J.Electron.Packag.
128(4)(2006)360一369.
(上接第30页)这两种综合防磨技术皆可有效地强化防磨,该综合防磨技术方案解决了单一技术防磨后受热面的“凸起”和“导热系数”问题,使传统防磨技术得到改进与提高,可使CFB锅炉水冷壁受热面耐磨3年以上。
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6可使CFB锅炉垂直水冷壁耐磨三年的最
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(1)多级防磨槽与超音速电弧喷涂组合施工。可使CFB锅炉受热面耐磨三年以上。
(2)多级防磨槽与台阶式防磨瓦组合施工。可使CFB锅炉受热面耐磨三年以上。
(3)多级防磨槽梁和鳍片组合施工,一样可使Cf'B锅炉受热面耐磨三年以上。
CFB锅炉宜用多级防磨槽梁和少量台阶式防磨瓦或超音速电弧防磨喷涂或il.E鳍片组合施工,可使CFB锅炉受热面耐磨三年以上。
在锅炉制造厂设计的水冷壁耐磨材料终结处以上一定高度(1~2)m区域包括炉内各角部区域采用
・39・
万方数据
通信机房气流组织的模拟与分析
作者:作者单位:
简弃非, 魏蕤, 颜永明, 杨苹, JIAN Qi-fei, WEI Rui, YAN Yong-ming, YANG Ping
简弃非,魏蕤,颜永明,JIAN Qi-fei,WEI Rui,YAN Yong-ming(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州,五山510640), 杨苹,YANG Ping(华南理工大学电力学院,广东省绿色能源技术重点实验室,广州,五山510640)节能技术
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY2009,27(1)
刊名:英文刊名:年,卷(期):
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jnjs200901009.aspx