劉海龍，朱鑫姝，鄧佩剛

武漢工程大學光電信息與能源工程學院，湖北 武漢 430205

數據機房不同于一般建筑，是指專門用于集中存放和管理各類信息設備（如服務器、交換機、工作站等）及其附屬設備（照明系統、空調系統等）的場所，其目的是為了對大量數據進行存儲、運算、通信和網絡服務等，以滿足不同用戶對信息處理的要求。目前數據中心的熱流密度呈上升趨勢［1］，能耗為 120～940 W/m2［2］。面對數據中心高能耗、高熱流密度的發(fā)展趨勢，只有在前期建設規(guī)劃中對數據機房進行更為合理的建模，才能在流體仿真的模擬中得到精確的結果，從而對后期起到更好的指導作用。

為了解決這一問題，前人做了很多研究。頓喆等［3］對數據中心機房的氣流組織模擬優(yōu)化進行了研究，并提出建立冷熱通道和冷通道改進兩種方案，結果表明，冷通道改進方案相較于原方案可以節(jié)能 42.27%。Cho［4］利用 STAR-CD 對 6 種常用的送風方案進行仿真模擬，結果發(fā)現地板送風、管道回風、冷通道隔離的方案是最佳的送風方案。嚴瀚［5］通過對氣流組織對數據中心空調能耗影響的研究，提出了垂直送風精密空調和其衍生的拼裝型模塊化數據中心方案，研究結果表明，采用該方案可以優(yōu)化氣流組織，同時降低風機能耗因子。黃慶河等［6］采用數值模擬的方法對高熱流密度機房的布局對服務器的換熱和能耗情況做了研究，提出了冷通道封閉、右側低壓區(qū)加隔板、空調側加隔墻3 種改進措施。研究結果表明，3 種措施均可以有效的改善機房內的溫度分布，消除熱點區(qū)域，實現冷量的有效利用。謝孟曉等［7］對帶有3 種不同功率的1U 服務器的數據中心進行研究。結果表明，采用功率較低的服務器可以充分利用現有機房空間，經過優(yōu)化后的機房具有較好的熱環(huán)境，采用功率較高的服務器可以節(jié)約機房空間，但氣流組織和冷量利用需加以改善。原世杰［8］采用ANSYS 軟件研究了列間空調在機柜內的合理布局位置以提高冷量利用率，結果表明，列間空調排列位置會對機柜出風溫度、機房熱環(huán)境及氣流組織產生影響。Nada 等［9］通過實驗研究了采用下送風上回風形式的數據機房的氣流組織和熱環(huán)境，提出了一種更好的機房熱環(huán)境管理方式，即將具有較高信息處理任務的IT 設備放置在機柜的底部，這樣能使其充分被冷卻且不會出現局部熱點問題。葉思鶩等［10］提出一種新的機柜熱環(huán)境評價指標，然后用不同評價指標對模擬結果進行對比分析。結果表明，提出的評價指標對設備布局、節(jié)省電力消耗具有指導作用。陸宏杰［11］提出適用靜壓層封閉方案并進行了實驗，結果表明，該方案可以優(yōu)化靜壓層送風結構從而提高數據中心的熱性能。陳文輝［12］針對數據中心通常采用送風方式的局限性，設計了冷墻側送風、封閉熱通道上回風的氣流組織形式。結果表明，該設計可以更好地滿足數據中心機房對工作溫度的要求。

通過對前人研究成果的總結，發(fā)現人們對機房的節(jié)能研究主要側重于空調送風方式的改進、自然冷卻技術及其他冷卻方式的應用、服務器排列方式與機架布局的優(yōu)化、機架內氣流組織的優(yōu)化等方面，但是對孔板送風的研究，尤其是優(yōu)化模擬方面還相對較少。針對該問題，筆者所在課題組針對實際運營的多個機房開展了應用研究?，F在的大多數數據機房都采用孔板風口，由于孔口直徑與機房幾何尺寸不在一個量級上，如果將每個孔板的小孔都包含在模型之中，將導致巨大的前期工作量，而且由此產生的龐大的網格單元數是目前計算機無法處理的，因此，課題組對風口的簡化做了一些研究［13］。筆者發(fā)現對送風孔板的簡化處理可以使得工作量大大減少，但是這種處理方式忽略了孔板的開孔、柵格等特征，喪失了孔板處太多細節(jié)，從而導致射流特性（射流衰減、射流擴散等）與實際不符。因此，筆者提出了一種優(yōu)化模型，用多孔介質模型模擬流體通過孔板產生的壓力損失，然后在其上方設置源項來模擬流體的射流對其上方空氣流場的影響。

本文以孔板及其相鄰機柜作為研究對象，建立3 種模型：一是孔板的實體模型，該模型能充分體現空氣通過孔板后的真實情況；二是基本模型，該模型是將原風口等比例縮小，但其忽略了小孔較多的細節(jié)；三是優(yōu)化模型。然后采用課題組在某機房現場的實測數據作為上述3 種模型的邊界條件進行模擬計算。

1 模型計算

1.1 機房及模型概述

某數據中心機房的內部分布如圖1（a）所示，機柜內部IT 設備的分布如圖1（b）所示。機房使用架空地板送風、無管道自由回風的氣流組織形式，架空地板高度為600 mm。內部機柜采用42U的19 英寸標準機柜，其圍護結構均具有良好的隔熱措施。

圖1 機房內部：（a）冷通道，（b）服務器Fig.1 Internal pictures of data center room：（a）cold aisle，（b）IT equipment

截取圖1（a）中單個孔板及其相鄰機柜的區(qū)域，如圖2（a）所示，作為建模對象，結合圖1（b）中 11個服務器及其排列方式，建立如圖2（b）所示的ANSYS 模型圖?？紤]到相鄰服務器之間在進風口側存在擋板，流體只會從服務器的進風口進入內部，建模時將圖2（a）中服務器進風側簡化成一個面。由于該孔板上方區(qū)域除服務器側的另3 個側面具有對稱性質，因此將這3 個面設置為對稱邊界條件。該機房采用冷通道封閉方案，所以頂部設置為Wall。

實體模型、基礎模型以及優(yōu)化模型的區(qū)別就是對開孔率為25%的孔板采取不同的處理方法，它們在孔板進風口和服務器進風口具有相同的邊界條件，因此使用測量值作為它們的邊界條件。具體參數如下：將圖2（b）模型圖中11 個服務器進風口側面由下至上按#1～#11 標序，孔板進風口處的速度是0.54 m/s，#1～#3服務器入流風速是0.1 m/s，#4～#5 服務器入流風速是 0.3 m/s，#6～#9 服務器入流風速是 0.45m/s，#10～#11 服務器入流風速是0.6 m/s。

圖2 研究對象：（a）孔板及其相鄰機柜，（b）模型圖Fig.2 Research objects：（a）perforated plate and its adjacent racks，（b）model

1.2 模型建立

1.2.1 實體模型 孔板送風具有射流擴展性好，軸心速度衰減快的特點，能在工作區(qū)域內獲得較均勻的氣流流型，現今的大多數下送風數據機房都采用孔板風口，如圖3（a）所示?？装逅惋L的射流特性是由多股小孔射流匯聚而成，所以建立的實體模型必須充分的體現這一特征。Vaibhav等［14］的研究表明，可以將孔板不規(guī)則的真實幾何簡化成規(guī)則的長方體幾何模型，所以可以建立如圖3（b）所示的孔板實體模型，該圖是孔板的俯視圖。

圖3 送風孔板：（a）實物圖，（b）ANSYS 中的模型圖Fig.3 Perforated plates for air supply：（a）real image，（b）model in ANSYS

1.2.2 基礎模型 1990 年，Heikkinen［15］提出了基礎模型，將原風口等比例縮小，即兩者風口的長寬比相同，原風口的入流有效面積Ar與簡化風口面積A相同。

1.2.3 優(yōu)化模型 優(yōu)化模型是對基本模型的改進，具體做法是在建立的模型中，將孔板給定多孔介質邊界條件，并加入源項。采用多孔介質可以模擬孔板送風口處氣流的壓力損失，在孔板上方使用源項可以模擬流體通過孔板產生的射流效應。

多孔介質模型中的流動阻力系數及壓力損失可式（1）得到：

式中，v是進入孔板時流體的速度，ρ是流體的密度，FO是孔板的開孔率，K是流動阻力系數，該系數由經驗公式（2）得出：

通過式（1）和式（2）可以得到流體通過孔板時的壓力損失，除此之外其大小也可通過達西定律和附加的慣性損失確定。

式中，μ是空氣的層流黏度，α是介質的滲透率，C2為阻力系數，v是孔板附近的速度，h是孔板的厚度。流體在流出和流入孔板時存在著動量差，在優(yōu)化模型中將動量差作為源項的重要依據，大小由式（5）得到：

式中，m是質量流量，vin是流體進入孔板時的速度，vout是流體離開孔板時的速度，V是源項區(qū)域的體積。本模擬計算中α取值為 1.76× 10-6m2，C2取值為9 865 m-1，孔板厚度為0.003 m，源項大小Sz=14.9 N/m3。

2 有限元計算

根據之前的邊界條件，通過FLUENT 得到3種模型的計算結果，為了便于比較，根據圖2（b）中的坐標軸，截取3 種模型在X=0.24 m 平面上的速度云圖如圖4 所示，壓力云圖如圖5 所示。

為了驗證實體模型的正確性，將實體模型的結果與實測數據進行比對，選取孔板若干個孔口，由圖4（a）讀取氣流在這些孔口附近的平均速度為1.754 m/s，該值略大于實驗中測到的氣流在孔附近的平均速度1.5 m/s，考慮到孔板開口很小使得探頭無法測到開口流通截面處的風速，因而測到的風速1.5 m/s 低于實際值，因此1.754 m/s 接近真實值。其次，孔板送風的特點是在氣流在孔口處產生均勻的射流流程，由圖4（a）可見孔板上方的流場十分均勻，且圖4（b）展示的放大的孔板處的氣流速度場也體現了空氣經過孔板處的射流特性。

圖4 速度云圖：（a）實體模型，（b）（a）的局部放大圖，（c）基礎模型，（d）優(yōu)化模型Fig.4 Velocity contours：（a）real model，（b）partial enlarged model of（a），（c）basic model，（d）optimal model

根據上面的分析可知實體模型能較好地還原實際孔板送風的細節(jié)，但由于其網格數量達到500 萬導致其計算時間較長，而且這只是一個孔板處的模型，一個機房往往有上百個孔板，這樣的處理將會帶來非常巨大的工作量，因此需要將其簡化?；A模型和優(yōu)化模型都對孔板進行了簡化處理，速度云圖如圖4（c）、（d）所示，與圖4（a）進行對比，可以看出優(yōu)化模型在孔板上方流體的速度分布更有層次感，十分接近實體模型的模擬結果。而基礎模型在孔板上方流體的速度分布則顯得雜亂，且其射流高度遠大于實體模型的射流高度。

圖5 壓力云圖：（a）實體模型，（b）基礎模型，（c）優(yōu)化模型Fig.5 Pressure contours：（a）real model，（b）basic model，（c）optimal model

圖5 為幾種模型的壓力云圖，可以清楚的看到優(yōu)化模型的壓力與實體模型非常吻合，基礎模型與實體模型存在很大的差異。為了客觀地體現這一點，在孔板表面上選取A、B、C、D4 個點如圖3（b）所示，然后在4 個點的垂直方向上選取若干個等高度的點，讀取3 種模型在各個點對應的速度和壓強值，得到3 種模擬結果在這些點的速度對比圖（圖6）和壓強對比圖（圖7）。

由圖6 可知，實體模型中空氣的速度隨著垂直高度的增加而逐漸降低，在垂直高度0.2 m 處，4 個點的空氣的速度基本相同，這些與實際情況一致，證明了實體模型的準確性。通過圖6 的對比，可以清楚的看到，在4 個對比圖中，優(yōu)化模型的曲線與實體模型的曲線非常吻合，誤差在5%以內，而基礎模型的曲線則與實體模型的曲線差距較大，特別是在圖6（b）、圖6（c）中，出現這種現象的原因是基礎模型的B、C點選取在孔口處，通過圖4（c）可以看到其開口處理過于簡單，因此速度值遠大于實體模型相同位置對應的空氣速度值。

圖6 測量點速度對比：（a）A 點，（b）B 點，（c）C 點，（d）D 點Fig.6 Speed comparison of measurement points：（a）point A，（b）point B，（c）point C，（d）point D

圖7 測量點壓強對比：（a）A 點，（b）B 點，（c）C 點，（d）D 點Fig.7 Pressure comparison of measurement points：（a）point A，（b）point B，（c）point C，（d）point D

圖7 中實體模型空氣的壓力隨著垂直高度而逐漸增加，除此之外，實體模型在4 個圖中相同的垂直高度處的壓力值基本相同，這符合孔板上方空氣的射流特征，再次證明了實體模型的正確性。通過圖7 的對比，可以清楚的看到，在4 個對比圖中，優(yōu)化模型的曲線與實體模型的曲線非常吻合，誤差在5%以內，而基礎模型的曲線則與實體模型的曲線差距較大。

3 結 論

本文針對孔板送風口的數值模擬提出了一種優(yōu)化模型的計算方法，該模型利用多孔介質和添加源項的方法模擬孔板送風口處氣流的壓力損失以及射流效應對孔板上方冷通道的流場影響。建立了實體模型、基本模型、優(yōu)化模型進行對比研究，計算結果表明：相比實體模型，基本模型和優(yōu)化模型都能夠減少約60%的計算時間，但基礎模型的速度場和壓力場與實體模型的誤差在50%左右，而優(yōu)化模型的速度場和壓力場與實體模型的誤差在5%以內，因此優(yōu)化模型是一種更加合理的選擇。