数据机房热区内气流组织的数值模拟及优化_沈向阳

第29卷,总第167期　2011年5月,第3期《节能技术》ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYVol.29,Sum.No.167　May.2011,No.3数据机房热区内气流组织的数值模拟及优化

沈向阳1,2,陈嘉澍,吕金虎,陆建峰,杨建平1123

(1.仲恺农业工程学院机电工程学院,广东　广州　510225;2.中山大学工学院,广东　广州　510006;

3.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东　广州　510640)

摘　要:建立数据机房热区内气流流动和传热的物理及数学模型,利用Fluent软件模拟其热区内气流的速度、温度和压力分布,模拟值和实测值相吻合。针对模拟数据机房热区内气流组织的缺点,从节能的角度提出改善方案,再通过Fluent软件模拟分析。研究结果表明:数据机房热区内最佳空调送风风速为3.6m/s;SUN4900服务器的最佳放置方式是全交错放置且全交错距离为0.3m。

关键词:数据机房;数值模拟;热区;气流组织

中图分类号:TU831　　文献标识码:A　　文章编号:1002-6339(2011)03-0233-05

NumericalSimulationandOptimizationofAirDistribution

inaDataCentersHot-zone

SHENXiang-yang,CHENJia-shu,LVJin-hu,LUJian-feng,YANGJian-ping

(1.CollegeofMechannical＆ElectricalEngineering,ZhongkaiUniversityofAgriculture

andEngineering,Guangzhou510225,China;2.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,

Guangzhou510006,China;3.KeyLaboratoryofEnhancedHeatTransferandEnergyConservationoftheMinistryofEducation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Abstract:Themodelofflowandheattransferfordatacenter'hot-zonehasbeensetup.Thevelocitydistribution,temperaturedistributionandpressuredistributionofthedatacenter'shot-zonearesimula-tedbyFLUENTsimulationsoftware.Thesimulatedvaluesfitwellwiththemeasuredvalues.Asforthedefectofairdistributioninhot-zone,anoptimizedprojectisgivenfromtheenergyconversationperspec-tive,whichissimulatedandanalyzedbyFLUENTsimulationsoftware.Theresultsshowthatthebestsupplyairvelocityofairconditioninginthedatacenter'shot-zoneis3.6m/s,andthebestplacementofSUN4900serverisstaggeredpositionwithstaggereddistance0.3m.

Keywords:datacenter;numericalsimulation;hot-zone;airdistribution1,21123

0　前言

随着电子计算机产品集成化程度、运行速度的

收稿日期　2011-01-26　　修订稿日期　2011-03-29

作者简介:沈向阳(1982～),男,博士研究生,助理研究员。主

要从事传热与节能、制冷空调的研究。提高,单位面积散热量大幅增长,机房热负荷明显增大[1-3]。在数据机房新建和改造中,机房服务器的

散热以及空调系统的节能成为目前研究的重

点

[3-5]

。面依次向上放,总高度1.12m;SUN4900服务器处于后3列,最后一列与热区出口相接,从地面放起,高度0.65m。两类服务器的宽度均为0.44m,相邻服务器之间的水平距离均为0.14m。3650服务器出风口大小为总面积的一半,位于服务器背面的左侧;SUN4900服务器出风口大小为0.18m×0.11m,位于服务器背面左上角。根据该热区的实际结构尺寸,建立了如图2所示的数值模拟物理模型

。

空调设计的最终目的是以合理的系统设计及设

备选型实现所要求的室内环境(温湿度、气流等的分布)。利用CFD技术可以有效地了解室内气流的构造和分布特征,对此国内外学者进行了大量的

[7]

研究。M.Bojic等对居民卧室内的流场和速度场进行了模拟。JuanAbanto等对天花板采用方形散流器送风的计算机房进行了模拟研究。于梅春

[10]

[9]

[8]

[6]

、

王颖分别对计算机房室内气流组织进行了模拟

[11]

研究。肖剑春对通信机房空调气流组织进行了模拟,并结合能耗分析得到优化的送风参数。Vish-wasBedekar通过模拟数据机房空调的80个不同位置点和3种不同风速,得出最佳的机房空调位置和风速。简弃非

[2]

[12]

等结合实测数据对数据机房的

室内环境进行了模拟研究,为数据机房有效的热管理和节能改造提供了依据。

迄今为止,有关数据机房气流组织的数值模拟主要集中在对整个机房进行模拟

[2-3,12-13]

,尚未见

图1　

数据机房热区和冷区的示意图

到将数据机房冷热通道完全隔开并分别进行数值模拟的报道。本文利用Fluent软件对数据机房热区内(即隔开后的热通道)气流组织进行数值模拟,分析其热区内气流的速度、温度和压力分布,优化服务器放置方案。

1　计算模型

1.1　模拟对象及其简化物理模型

本文以广州某数据机房为模拟计算的工程实例,数据机房的简化图如图1,服务器在机架中采用面对面、背靠背的形式放置,机架中未装服务器的垂直空间均安装挡板,因此可将整个机房分成两类区域:一类由空调送风口至各服务器进风口组成的区域,此区域内气流温度较低,定义为冷区;另外一类由空调送风口、服务器出风口至空调回风通道进口组成的区域,主要利用空调送风引导服务器排出的热风,使之顺利流向空调回风通道,此区域气流平均温度较高,定义为热区,空调回风通道进口即为热区出口。

为了研究的方便,以3650服务器和SUN4900服务器组成的单个热区为研究对象,其尺寸为3.79m×1.52m×1.90m。空调送风口距离地面0.35m,尺寸为0.33m×1.40m,送风口左右下角两点坐标分别为(-0.20,0,0.35),(0.13,0,0.35);3650服务器陈列于前3列,首列距离空调送风口的垂直距离为0.45m,每列14个服务器从地图2　热区的物理模型

1.2　数学模型

本文采用k-ε三维紊流模型方程化问题,做如下假设:

(1)热区内空气满足牛顿内摩擦定律,为牛顿

流体;

(2)热区内空气温度变化不大,空气密度可视为常数;(3)热区内空气流动为稳态湍流;

(4)热区内空气在热区周围壁面上满足无滑移边界条件;

(5)不考虑热区漏风影响,认为热区内气密性良好;

(6)热区内人员停留时间短,照明设备只有在有人停留时才使用,人体散热和照明设备散热很小,

[14]

,为了简

可忽略不计。

在上述假设下,流动和传热的通用控制方程如下

Υ(ρuΥ(ρvΥ(ρwΥ)(Γ)+Υ x y z x x Υ Υ(Γ(Γ)+SΥΥΥ y y z z式中　Υ———代表速度分量u、v、w及温度T等其它

变量;

Г——变量Υ的扩散系数;Υ—

S——变量Υ的源项;Υ—

u———x方向的速度分量,m/s;v———y方向的速度分量,m/s;

w———z方向的速度分量,m/s。

控制方程包括连续性方程、动量方程及能量方程,各变量相应的表达式见表1。

　　表1　变量Υ、ГΥ及SΥ的表达式

方程连续性方程动量方程能量方程

Υ1uT

ГΥ0μK

Cp

SΥ0 p

x0

气的物性参数:密度1.165kg/m,定压比热1005J/(kg·K),导热系数0.0267W/(m·K),动力粘度

-5

1.86×10kg/(m·s)。1.4　计算网格的划分及计算方法

非结构化网格消除了结构网格中节点的结构性限制,能较好地处理边界,因此本文采用非结构化网格进行网格划分,网格数为120万左右。

文中在三维直角坐标系下对热区气流流动与传热进行研究,采用有限容积法对连续性方程、动量方程、能量方程进行离散,采用标准k-ε两方程湍流模型,用SIMPLE算法关系。

[15-16]

3

求解压力和速度的耦合

2　计算结果及分析

2.1　模拟值与实测值的比较

空调送风风速为3.6m/s的计算模型与实际数据机房热区一致,在实际测量中,风速由QDF-6型数字风速仪测量,测量范围0～30m/s,测量精度±3%。温度由带Pt100探头的testo650温湿度仪测量,在-49.9～99.9℃范围内测量精度±0.1℃。实际测量热区内5点(5点坐标分别为(0,-1.0,0.6),(0,-2.0,0.6),(0,-3.0,0.6),(0,-3.5,0.6)和(0,-3.79,0.6)。)的正面风速和温度与模

拟其y方向的风速和温度的比较如图3,图4

。

表中　T———温度,K;

p———压力,N;

2

μ———动力粘滞系数,N·s/m;K———湍动能,m/s;

Cp———比热容,J/(kg·K)。

1.3　边界条件和物性参数

空调送风口、3650服务器出风口和SUN4900服务器出风口作为入口边界。流向回风通道的出口作为出口边界。

入口边界采用速度入口边界条件,出口边界采用压力出口边界条件。实际测得空调送风口风速u3.6m/s,温度T=295.2K;3650服务器出风口0=

风速u1.6m/s,温度T=299.7K;SUN4900服务0=

器出风口风速u7.8m/s,温度T=310.0K。热0=区出口压力p10Pa。为了便于比较,以下所out=-有计算中,空调送风温度,服务器出风口的风速和温度,以及热区出口的压力等边界条件均取实测值。

热区周围壁面取无滑移边界条件,则热区周围壁面边界上的空气速度等于周围壁面的速度,即u=v=w=0。机房热区与冷区的温度相差不大,且机房位于12楼,因此热区周围壁面可设为恒温边界。

热区内空气的物性参数取30℃(303K)时干空

2

2

图3　

风速模拟值与实测值的比较

图4　温度模拟值与实测值的比较

图3和图4中模拟结果与实际测量值进行比较

可知,风速最大误差为9.2%,温度最大误差为3.6%,模拟值和实测值相吻合,因而此计算模型可靠,可以有效预测数据机房热区内气流的流场和温度场分布情况。

2.2　空调送风风速对热区的影响

z=0.6m,空调送风风速分别为2.5m/s、3.6m/s和4.5m/s时的速度分布如图5

。

图6　z=0.6m的温度

分布

图5　z=0.6m时,空调送风风速分别为2.5m/s,

3.6m/s和4.5m/s的速度分布

由图5可以看出,空调送风风速为2.5m/s时,送风射流主流不能够接近SUN4900服务器的出风口,从而不能引导SUN4900服务器排出的热风;空调送风风速为3.6m/s时,送风射流主流能够接近SUN4900服务器的出风口,引导了整个热区的气流;空调送风风速为4.5m/s时,送风射流主流能够更加接近SUN4900服务器的出风口,但其导流效果比空调送风风速为3.6m/s时无明显提高。在导流效果相近的情况下,空调送风量越小,则空调系统耗能越小,从系统节能的角度来考虑,此处空调送风风速为3.6m/s最佳。因此后续的计算中,空调送风风速均取3.6m/s。2.3　服务器放置状态对热区的影响

由图5可以看出,3650服务器出风口风速小,其气流与对面3650服务器出风口气流不会形成对撞。而SUN4900服务器出风口风速大,其气流与对面SUN4900服务器出风口气流会形成对撞。因此必须考虑服务器放置状态对热区气流组织的影响。2.3.1　SUN4900服务器平行放置

服务器热区气流组织需要满足使热风迅速流出热区,同时热风不能相互对撞。z=0.6m平面为所有服务器的出风口所在平面,图6、图7和图8分别为z=0.6m时的温度分布、压力分布和速度矢量分布。

由图6、图7和图8可以看出,由于速度

为图7　z=0.6m

的压力分布

图8　z=0.6m的速度矢量分布

3.6m/s的空调送风气流对3650服务器射出热风的

引导作用,使得热风迅速改变原来的流动方向,向热区出口方向流动,热风不存在射流对撞现象。SUN4900服务器出风口处前方热风对撞比较严重,对撞处压力明显增大,不利于SUN4900服务器热风的送出及热区前部气流的送出,造成SUN4900服务器背侧局部过热,因此需要调整SUN4900服务器的放置高度,使得出风口的射流主流错开一定的距离,保证出风口出风相互干扰降低到最小。

由图8可以看出,SUN4900服务器置于机架列的后部时,保证了热区前部气流流场的均匀性,同时空调送风有效的到达机架列的后部,使其引导热风

的作用发挥到最大。因此,SUN4900服务器置于机架列的后部是合理的。2.3.2　SUN4900服务器全交错放置

由上面的分析可知,要保证出风口出风相互干扰降低到最小,则需SUN4900服务器左右及对面上下交错放置(简称全交错放置)。SUN4900服务器高度为0.65m,出口大小为0.18m×0.11m,因此,全交错放置时,服务器彼此的最小垂直距离为0.11m。为了放置的方便,左右相邻及对面服务器的垂直距离可取整数0.2m,0.3m,0.4m等。

当取0.2m时,以空调送风口为前,左侧SUN4900服务器底部从前到后分别距地面0.4m,0.2m,0m。右侧SUN4900服务器底部从前到后分别距地面0.2m,0m,0.4m。此时虽然右侧后两个及最后一排相对的两个SUN4900服务器垂直距离均为0.4m,但由于它保证了SUN4900服务器处于全交错状态,因此我们把这种情况称作SUN4900服务器的全交错距离为0.2m。

z=0.6m平面为SUN4900服务器出风口所在的平面,z=0.7m平面为上下两SUN4900服务器出风口所夹的中间平面。全交错距离为0.2m时,z=0.6m,z=0.7m的速度分布如图9

。

0.3m(以空调送风口为前,左侧SUN4900服务器底部从前到后分别距地面0.6m,0.3m,0m;右侧

SUN4900服务器底部从前到后分别距地面0.3m,0m,0.6m。)时,z=0.7m的速度分布如图10

。

图10　全交错距离为0.3m时,

z=0.7m的速度分布

由图10可以看出,当SUN4900服务器的全交错距离为0.3m时,在上下两SUN4900服务器出风口所夹的中间平面上,SUN4900服务器排出的热风不存在对撞现象,由于空调送风气流的作用,热风迅速向热区出口流动,彼此干扰很小。当SUN4900服务器的全交错距离取0.4m时,给服务器的安装带来不便,因此优先考虑SUN4900服务器的全交错距离取0.3m。

当SUN4900服务器的全交错距离取0.3m时,z=0.6m、z=0.9m和z=1.2m平面为所有SUN4900服务器出风口所在的平面,图11分别为z=0.6m、z=0.9m和z=1.2m的速度分布

。

图9　全交错距离为0.2m时,z=0.6m的速度分布,z=0.7m的速度分布

由图9z=0.6m时可以看出,SUN4900服务器处于全交错状态,且全交错距离为0.2m时,出风口所在的平面不存在热风对撞现象。由于空调送风气

流的作用,SUN4900服务器出风口排出的热风迅速向热区出口流动,彼此干扰很小。由图9z=0.7m时可以看出,在上下两SUN4900服务器出风口所夹的中间平面上,SUN4900服务器排出的热风存在对撞现象,主要由于SUN4900服务器全交错距离太小,不足以使服务器排出的热风气流错开,因此需增大服务器的全交错距离。当服务器的全交错距离为

图11　全交错距离为0.3m时,z=0.6m,

z=0.9m和z=1.2m的速度分布

由图11可以看出,由于速度为3.6m/s的空调送风气流对3650服务器射出热风的引导作用,使得热风迅速改变原来的流动方向,向热区出口方向流动,热风不存在射流对撞现象。SUN4900服务器出

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