于光義，李鐘勇，牛占林

（浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司，山東濟(jì)南 250101）

1 前 言

隨著云計(jì)算的普及，高密度節(jié)點(diǎn)的需求飛速增加，從而對(duì)高密度節(jié)點(diǎn)散熱使用的水冷機(jī)柜的需求也相應(yīng)增加。

渦輪風(fēng)扇由于前端進(jìn)風(fēng)，四周出風(fēng)的特性，廣泛應(yīng)用于水冷機(jī)柜的散熱系統(tǒng)，除了要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊外，對(duì)低噪音和高效率提出了更高的要求。因?yàn)樗錂C(jī)柜應(yīng)用的特殊性，業(yè)界對(duì)這方面的研究較少，目前對(duì)于風(fēng)扇的研究主要是關(guān)于軸流風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)特性的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[1，2]，以及軸流風(fēng)扇葉頂間隙或扇葉長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)扇性能的影響[3，4]；從系統(tǒng)層面對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行研究的也較少[5]，對(duì)渦輪風(fēng)扇的研究也主要是考慮風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)[6]，對(duì)多個(gè)渦輪風(fēng)扇組成的風(fēng)扇系統(tǒng)的研究較少。

本文通過(guò)仿真計(jì)算及實(shí)際測(cè)試，在系統(tǒng)風(fēng)扇性能不變情況下，驗(yàn)證了流道結(jié)構(gòu)變化對(duì)整套系統(tǒng)性能的改善情況，為提高風(fēng)量、降低噪聲提供了依據(jù)。

2 仿真模型的建立

圖1是水冷機(jī)柜使用的渦輪風(fēng)扇，在水冷機(jī)柜的設(shè)計(jì)中采用六個(gè)渦輪風(fēng)扇提供風(fēng)量，該風(fēng)扇主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)為：葉輪外徑225mm，輪轂直徑115mm，葉片數(shù)5，進(jìn)風(fēng)口直徑151mm，最大轉(zhuǎn)速3600r/min，最大風(fēng)量763cfm。

圖1 渦輪風(fēng)扇

水冷機(jī)柜包括風(fēng)扇系統(tǒng)、水冷盤(pán)管、服務(wù)器安裝機(jī)柜等部分，在本文中主要考慮風(fēng)扇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)量的影響，在仿真分析時(shí)對(duì)實(shí)機(jī)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。由于實(shí)驗(yàn)器材測(cè)試1500CFM風(fēng)量的限制，在本文中我們按照風(fēng)扇1170轉(zhuǎn)時(shí)的性能進(jìn)行仿真計(jì)算，并就不同的結(jié)構(gòu)分別建立模型：

（1）風(fēng)扇不加防回流裝置，使風(fēng)扇另外一邊的風(fēng)通過(guò)專門(mén)的通道流向服務(wù)器；

（2）風(fēng)扇加防回流裝置，使風(fēng)扇另外一邊的風(fēng)通過(guò)專門(mén)的通道流向服務(wù)器；

（3）風(fēng)扇加防回流裝置，取消風(fēng)扇之間專門(mén)的風(fēng)道；

（4）風(fēng)扇加防回流裝置，風(fēng)扇之間完全隔離；

具體結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 風(fēng)扇不同安裝結(jié)構(gòu)模型

對(duì)整個(gè)模型采用hexa unstructured網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

3 模擬仿真及仿真數(shù)據(jù)分析

采用湍流模型進(jìn)行風(fēng)扇系統(tǒng)的流場(chǎng)模擬，在給定邊界條件時(shí)，認(rèn)為進(jìn)口為大氣條件，給出風(fēng)扇性能參數(shù)。

計(jì)算過(guò)程中采用相同的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，迭代次數(shù)為200次，并監(jiān)測(cè)速度、壓力變化曲線以保證計(jì)算結(jié)果的可信度。當(dāng)各計(jì)算殘差值小于0.001時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

從四個(gè)模型的仿真數(shù)據(jù)可以看出，模型一風(fēng)量為0.5218m3/s，模型二風(fēng)量為0.6021m3/s，模型三風(fēng)量為0.6011m3/s；模型四風(fēng)量為0.6041m3/s。即四種不同結(jié)構(gòu)性能排列為：

結(jié)構(gòu)四＞結(jié)構(gòu)二＞結(jié)構(gòu)三＞結(jié)構(gòu)一。采用不同結(jié)構(gòu)風(fēng)扇附近流場(chǎng)流速分布如圖3～圖6所示。

通過(guò)模型仿真可以看出，風(fēng)扇防回流圈可以有效改善系統(tǒng)流場(chǎng)，增加出風(fēng)量，圖7顯示了風(fēng)扇防回流圈對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)的影響，當(dāng)不增加防回流圈時(shí)，風(fēng)扇的部分出風(fēng)被進(jìn)風(fēng)口抽回，導(dǎo)致系統(tǒng)出風(fēng)量減少。

圖7 風(fēng)扇防回流圈對(duì)流場(chǎng)影響

圖8 結(jié)構(gòu)一風(fēng)扇流場(chǎng)

另外觀察風(fēng)扇周圍氣流方向，可以看出風(fēng)扇之間的流場(chǎng)相互影響，風(fēng)扇之間的隔離較好時(shí)，可以有效削弱流場(chǎng)之間的相互影響，提高系統(tǒng)出風(fēng)量。不同結(jié)構(gòu)時(shí)風(fēng)扇間的流場(chǎng)關(guān)系如圖8～圖11所示。

圖9 結(jié)構(gòu)二風(fēng)扇流場(chǎng)

圖10 結(jié)構(gòu)三風(fēng)扇流場(chǎng)

圖11 結(jié)構(gòu)四風(fēng)扇流場(chǎng)

4 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)扇系統(tǒng)性能實(shí)際測(cè)試

圖12為實(shí)際測(cè)試的不同安裝結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇系統(tǒng)性能曲線。

圖12 不同結(jié)構(gòu)下風(fēng)扇系統(tǒng)性能曲線

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)一最大風(fēng)量為676CFM，結(jié)構(gòu)二最大風(fēng)量為752CFM，結(jié)構(gòu)三最大風(fēng)量為728CFM，結(jié)構(gòu)四最大風(fēng)量為824CFM，與結(jié)構(gòu)一相比，采用結(jié)構(gòu)四設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)出風(fēng)量提高22%。

實(shí)測(cè)得出不同結(jié)構(gòu)性能關(guān)系為：

結(jié)構(gòu)四＞結(jié)構(gòu)二＞結(jié)構(gòu)三＞結(jié)構(gòu)一

實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬以及實(shí)際測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)扇增加防回流圈，可以有效防止出風(fēng)口氣流重新進(jìn)入風(fēng)扇入風(fēng)口，有效增加風(fēng)扇系統(tǒng)出風(fēng)口氣流量。

（2）渦輪風(fēng)扇之間有效隔離可以改善流場(chǎng)特性，提高系統(tǒng)出風(fēng)量。

風(fēng)扇的回流以及風(fēng)扇流場(chǎng)間的影響會(huì)直接影響風(fēng)扇系統(tǒng)的流場(chǎng)性能，本文為水冷機(jī)柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

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