徐詠梅， 王洪玲， 唐 堅(jiān)， 杜 蘭， 焦 容， 徐立群

(1.暨南大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510632;2.暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣東 廣州 510610;3.中國移通信集團(tuán)廣東分公司，廣東 廣州 510640;4.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129)

隨著數(shù)據(jù)中心高密化的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)中心的散熱量急劇加大，熱流密度越來越高，作為數(shù)據(jù)中心熱管理主要設(shè)備的空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心主要的用電設(shè)備，在滿足數(shù)據(jù)中心工作環(huán)境要求的前提下，最大量地節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為迫在眉睫的要求.

數(shù)據(jù)中心采用冷、熱通道分離，可有效地將冷、熱空氣分區(qū)，避免前排機(jī)柜排出的熱空氣與冷空氣混合進(jìn)入后排機(jī)柜導(dǎo)致制冷效果降低［1］;減小冷空氣回流和冷、熱空氣局部短路造成的冷量耗散［2-3］，節(jié)約能耗，降低PUE值(power usage effectiveness，數(shù)據(jù)中心能源利用效率)［4］.采用行式(In-Row)空調(diào)［5］能夠?qū)崿F(xiàn)近端制冷，有效地吸收服務(wù)器的散熱量，減少冷量損失和制冷能耗.行式空調(diào)與冷、熱通道分離相配合能夠提高制冷效率和散熱量，避免熱點(diǎn)產(chǎn)生，適用于高密高熱數(shù)據(jù)中心［6］.

數(shù)據(jù)中心內(nèi)良好的氣流組織是提高制冷效率的必要條件，簡棄非［7］、楊蘋［8］、魏蕤［9］等利用 CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬和實(shí)驗(yàn)研究了采用中央空調(diào)制冷的數(shù)據(jù)中心氣流組織的分布特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)中心送回風(fēng)的最佳調(diào)配方案;Jinkyun Cho等［10］分析了采用精密空調(diào)在不同送風(fēng)形式下數(shù)據(jù)中心內(nèi)的氣流分布和熱交換特點(diǎn);Abdelmaksoud.W.A 等［11］研究了采用地板下送風(fēng)情況下，不同形式的穿孔地板對(duì)數(shù)據(jù)中心氣流組織的影響.導(dǎo)風(fēng)柵是空調(diào)進(jìn)行氣流組織的重要部件，張智［12］、陳常念［13］、吳丹尼［14］等采用數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)研究的方法分析了舒適性空調(diào)使用環(huán)境中導(dǎo)風(fēng)柵對(duì)氣流組織的優(yōu)化作用.但目前，在行式空調(diào)配合冷、熱通道分離情況下，導(dǎo)風(fēng)柵對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)氣流分布特性影響的研究還未進(jìn)行;本實(shí)驗(yàn)利用CFD技術(shù)［15］，研究了不同導(dǎo)風(fēng)柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流的影響，并獲得最佳的導(dǎo)風(fēng)柵結(jié)構(gòu)參數(shù).

1 數(shù)值模型

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景及模型

行式空調(diào)與冷/熱通道分離相配合使用，可實(shí)現(xiàn)近端制冷，提高制冷效率，解決高熱流密度的服務(wù)器機(jī)柜的散熱問題.本研究的行式空調(diào)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示:每排設(shè)備由5臺(tái)機(jī)柜和5臺(tái)行式空調(diào)組成，其中3臺(tái)機(jī)柜在2臺(tái)行式空調(diào)中間，剩余2臺(tái)機(jī)柜在行式空調(diào)一側(cè);行式空調(diào)面對(duì)面布局，送風(fēng)端在冷通道內(nèi);相鄰兩排的4臺(tái)行式空調(diào)為10臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜提供冷量.行式空調(diào)的尺寸為:長×寬×高=1 000 mm×600 mm×2 000 mm，機(jī)柜的尺寸為:長×寬×高=1 000 mm×600 mm×2 000 mm，冷通道的寬度1 000 mm，熱通道的寬度700 mm.

圖1 行式空調(diào)應(yīng)用場(chǎng)景圖Fig.1 The application scene of In-Row air conditioner

利用CFD軟件模擬使用行式空調(diào)的數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的氣流分布，如圖2所示:圖中粗虛線代表機(jī)柜框架，機(jī)柜內(nèi)刀片服務(wù)器插在兩塊擋板中間.行式空調(diào)的送風(fēng)端設(shè)為入口邊界，分別為入口邊界1～4;行式空調(diào)的回風(fēng)端設(shè)為出口邊界，分別為出口邊界1～4.在每臺(tái)機(jī)柜內(nèi)設(shè)置內(nèi)熱源，代表刀片服務(wù)器的散熱量.每臺(tái)機(jī)柜的出風(fēng)面設(shè)為測(cè)溫面，用來分析機(jī)柜的散熱性能，分別為測(cè)溫面1～10.模型的上下邊界為周期性邊界面，而其他面均設(shè)置為壁面邊界，熱通道的寬度為實(shí)際寬度的一半.

圖2 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The structure diagram of numerical model

1.2 控制方程及邊界條件

本模型內(nèi)的空氣流動(dòng)為湍流，采用k-ε湍流模型.機(jī)房內(nèi)的空氣可看作是不可壓縮流體、滿足Boussinesq假設(shè)，以忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱，并認(rèn)為流體密度的變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響.模型利用CFD軟件fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，用控制容積法離散Navier-Stokes微分方程組進(jìn)行計(jì)算，用速度壓力偶合方程并采用SIMPLE算法求解.同時(shí)，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分的離散格式，動(dòng)量方程與能量方程的離散格式選用二階迎風(fēng)格式.而Fluent則選用已標(biāo)定殘差來控制方程的收斂精度，使模擬時(shí)各殘差計(jì)算的曲線都趨水平態(tài)勢(shì)，以確保各個(gè)參數(shù)值的穩(wěn)定性.

計(jì)算過程中不考慮行式空調(diào)的內(nèi)部流場(chǎng)，但由于行式空調(diào)風(fēng)機(jī)較多，故出風(fēng)口送風(fēng)分布均勻.另外，送風(fēng)口即入口邊界為速度進(jìn)口邊界條件，并附有溫度20℃;回風(fēng)口即出口邊界為壓力出口邊界條件;其余壁面邊界均為固壁無滑移絕熱壁面邊界.

2 結(jié)果分析

2.1 無導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)流場(chǎng)分析

行式空調(diào)無導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)，每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)面上的平均溫度如表1所示.從表1中可以看出，各個(gè)機(jī)柜出口的溫度差異較大，最高溫較最低溫高7.9 K，其中最低溫出現(xiàn)在機(jī)柜1和機(jī)柜10，最高溫出現(xiàn)在機(jī)柜5和機(jī)柜6.為更清楚地說明溫度分布，沿離機(jī)柜地面1 m處截取速度矢量圖(下文中的速度矢量圖均在1 m高處截取)，見圖3.無導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)，行式空調(diào)3和2送出的冷風(fēng)優(yōu)先吹向機(jī)柜1和10，少部分流向機(jī)柜2和9.這樣造成機(jī)柜1和10出風(fēng)溫度較低，且空調(diào)3與空調(diào)1送出的冷風(fēng)在機(jī)柜6前方會(huì)形成較大的漩渦，影響機(jī)柜6的送風(fēng)量，造成其出口溫度較高.同理，機(jī)柜5出風(fēng)溫度也較高.同樣，空調(diào)1與空調(diào)4的送風(fēng)在機(jī)柜3及8前方形成較大的漩渦，使得空調(diào)1送風(fēng)優(yōu)先吹向機(jī)柜7，機(jī)柜8則獲得較少的風(fēng)量，出風(fēng)溫度相對(duì)偏高.因此可以得出:在無導(dǎo)風(fēng)格柵時(shí)，空調(diào)傾向于為正對(duì)的機(jī)柜送風(fēng)，并且空調(diào)之間的送風(fēng)比較容易形成漩渦，影響了非正對(duì)機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)，使得送風(fēng)不均，從而形成局部熱點(diǎn).

表1 無導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)各測(cè)溫面的平均溫度Table1 The average temperature of each surface without air deflector l=50 mm

圖3 行式空調(diào)無導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)速度矢量圖Fig.3 The velocity vector of In-Row air conditioner without air deflector

2.2 有導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)流場(chǎng)分析

為解決無導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)空調(diào)不均勻送風(fēng)問題，本實(shí)驗(yàn)在行式空調(diào)的送風(fēng)端安裝導(dǎo)風(fēng)柵，其俯視結(jié)構(gòu)如圖4所示.假定格柵的寬度為l，格柵與水平夾角為α.在行式空調(diào)中，由于空間的限制，格柵的寬度和夾角有較大的限制，而不同格柵寬度l及夾角α對(duì)導(dǎo)風(fēng)效果有不同的影響，對(duì)此，本實(shí)驗(yàn)研究了不同l和α下，數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)氣體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況.

圖4 導(dǎo)風(fēng)柵結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 The structure diagram of air deflector

(1)格柵夾角對(duì)流場(chǎng)的影響 在分析格柵夾角對(duì)流場(chǎng)的影響時(shí)，將寬度l固定為75 mm，將夾角α分別設(shè)定為 30°、45°、60°、75°、85°;該條件下，可以計(jì)算出10個(gè)測(cè)溫面上的平均溫度，如表2所示.從表2中可看出，格柵夾角較小時(shí)，各個(gè)機(jī)柜出口溫差相差很大.例如當(dāng) α=30°時(shí)，最大溫差為21.6 K，并且此時(shí)冷量分布很不均勻，機(jī)柜1、4、7、10的出風(fēng)溫度較低，而機(jī)柜3、6、8卻出現(xiàn)過熱現(xiàn)象.而隨著α的增加，各個(gè)機(jī)柜的溫差明顯減小.當(dāng)α=75°時(shí)氣流組織達(dá)到最優(yōu)，各個(gè)機(jī)柜的溫差最小，最大溫差也只有3.7 K.但α若繼續(xù)增大，各個(gè)機(jī)柜的溫差會(huì)再次變大.隨著α的變化，各個(gè)機(jī)柜的換熱效果變化很大，說明α對(duì)流場(chǎng)分布有很大影響，因此在設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)要優(yōu)先考慮α的取值.

表2 l=75 mm時(shí)不同格柵夾角下各測(cè)溫面的平均溫度Table2 The average temperature of each surface in different grille angle when l=75 mm

當(dāng)α=30°時(shí)，如圖5所示:由于送風(fēng)方向與水平方向的夾角較小，從行式空調(diào)1和2送出的冷風(fēng)會(huì)越過其相鄰機(jī)柜2、3和5，直接流入機(jī)柜1和4，造成機(jī)柜2、3和5獲得的冷空氣量較小、出口溫度過高;而機(jī)柜1和4獲得的風(fēng)量較大，被過度冷卻，出風(fēng)溫度較低.由于同樣原因造成下排的機(jī)柜6、8和9獲得風(fēng)量較小，出風(fēng)溫度較高.而當(dāng)α=75°時(shí)，如圖6所示，各個(gè)機(jī)柜能夠獲得的風(fēng)量差別不大，使得各個(gè)機(jī)柜能夠被均勻冷卻，說明此時(shí)行式空調(diào)的出風(fēng)方向最合適，各個(gè)機(jī)柜都獲得了有效的散熱，避免了局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生.

圖5 α=30°時(shí)速度矢量圖Fig.5 The velocity vector when α =30°

圖6 α=75°時(shí)速度矢量圖Fig.6 The velocity vector when α =75°

(2)格柵寬度對(duì)流場(chǎng)的影響 在分析格柵寬度對(duì)流場(chǎng)影響時(shí)，此處將夾角α定為75°，將寬度l分為50、75、100、125、150 mm;該條件下，計(jì)算得出的10個(gè)各測(cè)溫面上的瓶頸溫度見表3所示.從表中可以看出，隨著格柵寬度的增大，各個(gè)機(jī)柜測(cè)溫面上的溫度之差先減小后增大，當(dāng)l=100 mm，各個(gè)機(jī)柜的溫度最均勻，氣流組織效果最好，且溫差總體上變化不大，這說明格柵的寬度對(duì)流場(chǎng)的影響較夾角小.

表3 α=75°時(shí)不同導(dǎo)風(fēng)柵寬度下測(cè)溫面的平均溫度Table3 The average temperature of each surface in different width of air deflector when α =75°

從圖7和圖8可以看出，寬度從50～100 mm變化時(shí)，格柵對(duì)流場(chǎng)影響較小.空調(diào)吹出的冷風(fēng)均送往對(duì)面的機(jī)柜，格柵寬度的變化僅僅影響各個(gè)機(jī)柜風(fēng)量的分配，當(dāng)寬度為100 mm時(shí)，各機(jī)柜風(fēng)量分配最均勻.當(dāng)格柵寬度增大至150 mm時(shí)，格柵對(duì)流場(chǎng)有較大的改變作用.如圖9所示，空調(diào)吹出的大部分冷風(fēng)不再送往對(duì)面的機(jī)柜，而被周邊同排的機(jī)柜吸走，送往機(jī)柜的風(fēng)量重新進(jìn)行了分配，各機(jī)柜均勻性相對(duì)降低.因此，格柵寬度也影響機(jī)柜的風(fēng)量分配，當(dāng)寬度為100 mm時(shí)，機(jī)柜風(fēng)量均勻性最好.

圖7 l=50 mm時(shí)速度矢量圖Fig.7 The velocity vector when l=50 mm

圖8 l=100 mm時(shí)速度矢量圖Fig.8 The velocity vector when l=100 mm

圖9 l=150 mm時(shí)速度矢量圖Fig.9 The velocity vector when l=150 mm

3 結(jié)論

利用CFD技術(shù)對(duì)行式空調(diào)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行模擬分析能夠優(yōu)化氣流組織形式，提高冷空氣的利用率和機(jī)柜的散熱效率，降低空調(diào)所需能耗.通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):行式空調(diào)未安裝導(dǎo)風(fēng)柵時(shí)，氣流分布不均勻，局部區(qū)域冷空氣流量較小，服務(wù)器機(jī)柜出風(fēng)溫度較高，機(jī)柜內(nèi)容易產(chǎn)生局部熱點(diǎn);在行式空調(diào)送風(fēng)口處安裝導(dǎo)風(fēng)柵能夠使得冷空氣分布更均勻，保證每個(gè)機(jī)柜都能獲得足夠的冷量;隨著格柵夾角α的增大，各個(gè)機(jī)柜的出風(fēng)溫差先減小后增大;隨著格柵厚度l的增大，各個(gè)機(jī)柜的出風(fēng)溫差同樣先減小后增大;當(dāng)α=75°，l=100 mm時(shí)，各個(gè)機(jī)柜的溫差最小，氣流組織效果最優(yōu)，冷量分布最均勻，機(jī)房能夠獲得最佳的散熱效果.

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