胡洋 魏玲 陶宇真 王子漢

南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

0 引言

數(shù)據(jù)機房是一個集數(shù)據(jù)處理，存儲和交換為一體的系統(tǒng)工程。云計算以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進了服務(wù)器性能的不斷提高，新型高功率密度服務(wù)器如刀片式服務(wù)器的出現(xiàn)使得單個機架的功率超過30 kW，不僅使得數(shù)據(jù)機房能耗增加，還使得機房內(nèi)氣流組織更為復(fù)雜[1-3]。因此，如何優(yōu)化機房熱環(huán)境，更加高效處理氣流組織以保證機房安全運行，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗變得尤為重要。

本文將實測與 CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬結(jié)合，模擬采用開箱模型，將傳統(tǒng)的黑箱模型細(xì)化，對送風(fēng)孔板孔隙度，架空地板高度，冷通道寬度以及架空地板下送風(fēng)擋板的高度與間距對機柜進口溫度的影響進行模擬分析。

1 CFD模型設(shè)置

1.1 物理模型

本文以某數(shù)據(jù)機房為對象，機房幾何尺寸為8 m×11 m×3 m，圖1為機房三維示意圖。機房內(nèi)機柜分兩排面對面布置，每排放置9個機柜，共18個，機柜尺寸為0.6 m×1.2 m×2.2 m。機房內(nèi)共布置兩臺精密空調(diào)，每臺空調(diào)制冷量為65.8 kW。機房采取冷熱通道分離的方式，送風(fēng)方式采用架空地板送風(fēng)，架空地板高度0.4 m，兩排機柜間隔為1.8 m，設(shè)置成冷通道。

圖1 機房三維示意圖

模擬時采用Boussinesq近似，考慮浮力的影響。由于機房內(nèi)人員停留時間較短，忽略人體散熱和照明設(shè)備散熱。機房內(nèi)散熱量大，機房處于建筑物內(nèi)，故不考慮室外環(huán)境變化對機房熱環(huán)境的影響，在建模時所有壁面均設(shè)置為絕熱。由于機房內(nèi)主要為強制對流換熱，輻射對溫度場的影響很小，因此，不考慮輻射模型。

1.2 邊界條件

本模擬采用開箱模型，允許氣流從機柜內(nèi)部流過，考慮風(fēng)扇的影響，模型示意圖如圖2所示。將架空地板送風(fēng)口作為入口邊界，空調(diào)回風(fēng)口作為出口邊界,給定送風(fēng)速度和溫度。送風(fēng)孔板孔隙率為45%，機柜進出口擋板孔隙率為75%，機柜內(nèi)的服務(wù)器簡化為具有固定熱通量的發(fā)熱模塊，不考慮服務(wù)器內(nèi)部空氣的流動和換熱。采用多孔階躍模型來模擬冷通道送風(fēng)孔板，通過送風(fēng)孔板的壓降利用下式進行計算：

式中：C為阻力系數(shù)，本模型中設(shè)置為1；ρ 為空氣密度，kg/m3；v為孔板表面速度，m/s。

圖2 開箱模型示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，設(shè)置計算監(jiān)控點時其距離機柜進出口至少4個單元格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。將機柜進出口處網(wǎng)格進行局部加密，結(jié)果如圖4所示，并對網(wǎng)格進行獨立性分析，25萬網(wǎng)格產(chǎn)生可接受的結(jié)果。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 局部網(wǎng)格加密示意圖

2 現(xiàn)場測量

采用TSI溫濕度儀和TESTO風(fēng)速測量儀，對機房內(nèi)各個測點的溫度，氣流速度進行測量。分別在地板靜壓箱送風(fēng)孔板處，回風(fēng)口處，冷熱通道以及機柜前后0.05 m處1.75 m，1.2 m，0.5 m高度進行測量。每個機柜送風(fēng)區(qū)域包含9個測點，每個測點進行十次測量，每十秒鐘記錄一次，最后對十次結(jié)果取平均值。實驗采用的主要測量儀器如表1所示。

表1 主要測量儀器

將冷通道劃分為三個區(qū)域，每個區(qū)域包含9個送風(fēng)孔板，在每個孔板的中心區(qū)域進行測量，共布置27個測點，每個測點測量10次，每十秒記錄一次，送風(fēng)孔板尺寸為0.6 m×0.6 m。此外，在房間內(nèi)還布置有若干測點，測點示意圖如圖5所示。

圖5 測點示意圖

3 研究結(jié)果與討論

3.1 模擬與實測結(jié)果分析

在模擬結(jié)果中選取與實測點對應(yīng)點，將模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 測量與模擬結(jié)果比較

由圖6，在所選取的17個測點值中，模擬值與實測值最小誤差為1.55%，最大誤差為9.54%。這主要是由于模型的簡化的影響，如對機柜內(nèi)部空氣流動與換熱的簡化，架空地板冷空氣的泄漏和線纜的擾流影響的忽略。其次，在實測時，測量儀器的誤差，測量人員對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，也是誤差產(chǎn)生的原因。但是各個測點溫度的模擬與實測值變化趨于一致。因此，認(rèn)為模型是可靠的，可用于此問題的研究。

3.2 送風(fēng)孔板孔隙率的影響

通過實測值與模擬值的對比驗證了CFD模擬的可靠性，將各機柜內(nèi)負(fù)載假定為1500 W，其余條件均不變，來探究各因素對機柜入口溫度的影響。為探究孔板孔隙率對機柜進口溫度的影響，設(shè)置孔隙率為20%～65%，架空地板高度維持0.4 m不變。模擬結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，隨著孔板孔隙率的增加，機柜進口溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢，溫升在0.5 ℃左右。機柜進口溫度并沒有因為孔板孔隙率的增加而降低反而有所上升，這是因為較高的孔隙率導(dǎo)致冷通道內(nèi)空氣分布不均勻，從而影響機柜的進口溫度。由此可見，利用增加孔隙率的方式來增加送風(fēng)量降低送風(fēng)溫度并不可行。

圖7 不同孔隙率對機柜進口溫度的影響

3.3 架空地板高度的影響

架空地板下送風(fēng)方式，不僅可以減少送風(fēng)系統(tǒng)的動壓，增加靜壓，還可以使送風(fēng)氣流更加穩(wěn)定，減少氣流的振動，從而達到更好的送風(fēng)效果。為了探究地板高度對機柜進口溫度的影響，保持模型其他參數(shù)不變，將模型高度以0.1 m為差異，從0.3 m至0.7 m分別進行模擬，模擬結(jié)果如圖8所示。由圖中可以看出，機柜入口溫度隨著地板高度的增加而降低，降幅約為0.5 ℃。這是因為隨著地板高度的增加，靜壓箱的體積增大，使得送風(fēng)氣流更加均勻，從而降低了機柜入口溫度。因此，在房間施工條件允許的情況下，可通過增加架空地板的高度來降低機柜進口溫度。

圖8 架空地板高度對機柜進口溫度的影響

3.4 冷通道寬度的影響

為了探究冷通道寬度對機柜入口溫度的影響，以0.1 m為差異值，模擬了1.8～2.2 m冷通道寬度機柜入口溫度的情況。模擬結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出，隨著冷通道寬度的增加，機柜入口溫度逐漸降低，但是當(dāng)冷通道寬度增加到2.0 m以后機柜入口溫度下降緩慢，降溫效果不如1.8～2.0 m顯著。實際工程中，由于受機房房間尺寸的限制，不可能無限制增加冷通道寬度，因此，可以適當(dāng)增加寬度以降低機柜進口的溫度。

圖9 冷通道寬度對機柜入口溫度的影響

3.5 擋板高度的影響

在地板靜壓箱中布置擋板，影響著送風(fēng)孔板處的風(fēng)速和風(fēng)量。因此，擋板設(shè)置的合理與否，對機房內(nèi)熱環(huán)境有著重要影響。針對不同擋板高度和間距工況進行模擬，探究擋板布置對機柜進口溫度的影響。

在垂直于送風(fēng)方向設(shè)置五個豎直擋板，以0.05 m的高度差作為模型差異，對擋板高度0.1 m到0.35 m的擋板模型進行模擬，模擬過程中保持擋板間距2 m不變。由圖10可以看出，隨著擋板高度的增加，機柜入口溫度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，但是當(dāng)擋板高度增加到0.35 m時，機柜入口溫度又開始上升。這是因為，逐步增加擋板高度時，由于擋板的作用，使得靠近空調(diào)送風(fēng)口的地方動壓減少，靜壓增加，使得送風(fēng)孔板處氣流的動力增加且更加均勻。由于本文中機房架空地板高度為0.4 m，當(dāng)設(shè)置0.35 m的擋板高度時，擋板過高，影響靜壓箱內(nèi)空氣的流動，反而對送風(fēng)產(chǎn)生不利影響，增加了機柜入口溫度。因此，在機房實際運行時，可適當(dāng)增加擋板高度來降低機柜進口空氣溫度。

圖10 擋板高度對機柜入口溫度的影響

3.6 擋板間距的影響

由前文可知，針對本文的研究對象，當(dāng)擋板高度為0.3 m時，機柜進口溫度最低，最合適。因此，在探究擋板間距對機柜入口溫度的影響時，保持擋板高度0.3 m不變，以0.5 m為增量，對擋板間距從0.5 m到2 m的不同工況進行模擬。如圖11所示，擋板間距從0.5 m增加到1 m時，對機柜進口溫度幾乎沒有影響。當(dāng)擋板間距從1 m增加到1.5 m時機柜入口溫度有大幅的降低，在此基礎(chǔ)上再增加間距時機柜入口溫度幾乎不變。由此可見，擋板間距設(shè)置為1.5 m時對降低機柜入口溫度最為有利。

圖11 擋板間距對機柜入口溫度的影響

4 結(jié)論

通過對機房現(xiàn)場實測得到機房實際運行的速度場與溫度場，以實測值為依據(jù)建立了可靠的簡化CFD模型。通過此模型探究了送風(fēng)孔板孔隙率，架空地板高度，冷通道寬度以及送風(fēng)擋板高度和間距對機柜入口溫度的影響，得到以下結(jié)論：

1）增加送風(fēng)孔板孔隙率并不能降低機柜入口溫度，反而會使溫度略微提升，因此，通過增加孔隙率來降低機柜入口溫度的方法并不可行。

2）機柜入口溫度隨著地板高度的增加而降低，在條件允許的情況下，可通過適當(dāng)提高架空地板的高度來降低機柜入口溫度。

3）增加冷通道寬度，可降低機柜入口溫度，但是當(dāng)冷通道寬度增加到2.0 m以后機柜入口溫度下降緩慢，降溫效果顯著降低。

4）擋板高度的適當(dāng)增加可降低機柜進口溫度，受架空地板高度限制，可適當(dāng)增加擋板高度來降低機柜入口溫度。

5）擋板間距為1.5 m時，機柜入口溫度降幅最大，對優(yōu)化機房熱環(huán)境最有利。