陳翼翔

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木系，湖南 長(zhǎng)沙410100）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房安放了大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)、通信設(shè)備等設(shè)備，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的熱，為了確保這些設(shè)備的正常工作，必須對(duì)它們進(jìn)行充分的冷卻，每一個(gè)發(fā)熱單元都必須依據(jù)本身的產(chǎn)熱量，獲得一個(gè)相匹配的冷量［1］。因此，數(shù)據(jù)中心內(nèi)冷氣流須要有適當(dāng)?shù)姆植?，也就是冷空氣必須滿足任意位置的計(jì)算機(jī)設(shè)備的需求，成為保障設(shè)備正常工作的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)，依賴于對(duì)氣流分布的基礎(chǔ)機(jī)制的理解［2］。

當(dāng)前中外研究者普遍采用CFD模擬技術(shù)和儀器實(shí)測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的氣流組織進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)［3～8］，取得了良好的輔助設(shè)計(jì)效果。

本文基于真實(shí)工程案例，借鑒文獻(xiàn)及非數(shù)據(jù)機(jī)房CFD 模擬的成功經(jīng)驗(yàn)［9，10，14］，以提高模型仿真度為原則，以最終提高模擬精度為目標(biāo)，構(gòu)建了相對(duì)精確的數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)機(jī)和數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜的模型，并經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，為此機(jī)房設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供了依據(jù)。8.5 m×11 m，層高4.2 m。機(jī)房?jī)?nèi)共安裝機(jī)柜43個(gè)，機(jī)柜內(nèi)擺放的通訊設(shè)備型號(hào)基本一致，每個(gè)機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備發(fā)熱量基本一致，都在1.2 k W左右。機(jī)房平面及機(jī)柜、空調(diào)機(jī)安放位置見(jiàn)圖1。

由于受限于建筑的構(gòu)造，空調(diào)機(jī)整齊擺放于房間一側(cè)，經(jīng)按國(guó)家、行業(yè)規(guī)范計(jì)算，機(jī)房需要制冷量61 k W，設(shè)計(jì)上采用完全相同的三臺(tái)額定制冷量為31 k W的機(jī)房專用空調(diào)機(jī)。基于電信行業(yè)的規(guī)范要求，運(yùn)行上采用二用一備方式，以保證空調(diào)系統(tǒng)整體可靠性，并根據(jù)業(yè)主已采購(gòu)設(shè)備的客觀條件，設(shè)計(jì)為上送下回式機(jī)房專用空調(diào)機(jī)。

1 工程簡(jiǎn)介

該數(shù)據(jù)中心機(jī)房位于長(zhǎng)沙市某通信綜合樓，屬于無(wú)人值守機(jī)房，門窗經(jīng)過(guò)二次封閉，房間內(nèi)空尺寸為

圖1 機(jī)房布置平面圖

2 模型簡(jiǎn)化及相關(guān)假設(shè)

2.1 單個(gè)機(jī)柜模型簡(jiǎn)化

文獻(xiàn)［4］中對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜的模型有過(guò)論述，本文汲取其精華，并依據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)備及機(jī)柜的外形、運(yùn)行原理的特點(diǎn)，更為真實(shí)、精確地構(gòu)建模型。

機(jī)柜正面為通風(fēng)孔板制作的機(jī)柜門，柜外空氣可以進(jìn)入機(jī)柜；機(jī)柜背面一般是將數(shù)據(jù)設(shè)備裸露；本案例中，機(jī)柜實(shí)際尺寸為0.96 m×0.6 m×2 m，外形如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜正面（左）與背面（右）圖

置于機(jī)柜內(nèi)的數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)殼正面有通風(fēng)孔，數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)熱由內(nèi)部機(jī)芯的電子器件在運(yùn)行中產(chǎn)生；機(jī)殼背面排列降溫風(fēng)扇和接線端，如圖3所示。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，室外氣流由降溫風(fēng)扇從機(jī)殼正面的通風(fēng)孔吸入，流經(jīng)機(jī)芯，帶走機(jī)芯產(chǎn)生的熱量，從機(jī)殼后部排出。

圖3 數(shù)據(jù)設(shè)備背面風(fēng)扇及接線端

基于上述特點(diǎn)，在建立模型時(shí)，將數(shù)據(jù)設(shè)備及機(jī)柜簡(jiǎn)化，機(jī)柜正面采用與通風(fēng)孔板的實(shí)際通風(fēng)面積相同的豎向縫隙；機(jī)柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱機(jī)芯簡(jiǎn)化為一個(gè)發(fā)熱六面體，發(fā)熱量為柜內(nèi)設(shè)備的總發(fā)熱量（1.2 k W）；機(jī)柜背面設(shè)置2個(gè)風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇的風(fēng)量為柜內(nèi)設(shè)備降溫風(fēng)扇風(fēng)量總和的二分之一；機(jī)柜其余地方按照實(shí)際尺寸，并實(shí)現(xiàn)全密封，如圖4所示。

2.2 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)模型簡(jiǎn)化

文獻(xiàn)［3～8］中對(duì)機(jī)房空調(diào)設(shè)備進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，其出風(fēng)口設(shè)置為定量定壓送風(fēng)口，回風(fēng)口為自由溢流的通風(fēng)洞口，大多數(shù)沒(méi)有設(shè)置為單獨(dú)物體，而是直接在墻的邊界上開(kāi)有壓回風(fēng)口和自由溢流的通風(fēng)洞口，此模型適用于單臺(tái)空調(diào)機(jī)的機(jī)房模擬，但是在多臺(tái)空調(diào)機(jī)同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)下，各回風(fēng)口外的風(fēng)壓不等，如果采用自由溢流的通風(fēng)洞口，則各臺(tái)空調(diào)機(jī)的回風(fēng)量勢(shì)必會(huì)不等；但是實(shí)際上單臺(tái)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的送風(fēng)量和回風(fēng)量是始終相等的，所以本文將機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的送風(fēng)口采用定量定壓送風(fēng)口，回風(fēng)口亦采用定量定壓的回風(fēng)風(fēng)扇。

圖4 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜模型

本案例中的上送下回式機(jī)房專用空調(diào)機(jī)，送風(fēng)口設(shè)置于機(jī)器上部，底部側(cè)向送風(fēng)，回風(fēng)口設(shè)置于機(jī)器下部，側(cè)向回風(fēng)，長(zhǎng)寬高尺寸為1.4 m×0.89 m×2.6 m，如圖5所示。

圖5 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)實(shí)物圖

本文將機(jī)房專用空調(diào)機(jī)外形簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)際尺寸的六面體，如圖6所示。

圖6 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)模型

2.3 機(jī)房及群組機(jī)柜模型簡(jiǎn)化

機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)8.5 m×11 m×4.2 m的六面體，各墻體模型均設(shè)置為沒(méi)有厚度，為模擬夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量，根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算定義了墻體模型對(duì)室內(nèi)的散熱量。

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置了3臺(tái)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)，并根據(jù)三臺(tái)空調(diào)機(jī)遵循二用一備的原則，僅保留了2#空調(diào)機(jī)的實(shí)物模型，但刪除其送回風(fēng)口，此空調(diào)機(jī)僅作為機(jī)房?jī)?nèi)影響氣流組織的物體而存在；還依據(jù)實(shí)際機(jī)房情況設(shè)置了43個(gè)機(jī)柜模型；在排列機(jī)柜模型時(shí)，取消重疊的機(jī)柜側(cè)壁的模型，其余模型保持不變，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)機(jī)房群組模型

2.4 相關(guān)假設(shè)和數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)空氣視為不可壓縮、連續(xù)、穩(wěn)定的流動(dòng)，并符合Boussineq假設(shè)；忽略空氣中污染物的影響。

數(shù)值模擬采用雷諾平均法（RANS）中的渦黏模型，利用零方程模型來(lái)處理雷諾應(yīng)力項(xiàng)，該模型是指不使用微分方程，而用代數(shù)關(guān)系式，把湍動(dòng)粘度與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)的模型。它只用湍流的時(shí)均連續(xù)方程（1）和Reynolds方程（2）組成方程組，把方程組中的Reynolds應(yīng)力用平均速度場(chǎng)的局部速度梯度來(lái)表示。

采用有限容積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散，差分格式為混合格式。網(wǎng)格的劃分采用多重網(wǎng)格劃分法。用SI MPLE算法進(jìn)行壓力和速度的解耦，以避免不合理壓力及速度場(chǎng)的出現(xiàn)。為考慮溫差引起的浮升力影響，采用Boussinesq假設(shè)。

2.5 網(wǎng)格劃分及收斂標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)格生成對(duì)CFD計(jì)算至關(guān)重要，直接關(guān)系到CFD計(jì)算的成?。?0］，質(zhì)量高的計(jì)算網(wǎng)格應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)［11，12］：網(wǎng)格在求解域內(nèi)的疏密變化應(yīng)與被求變量的梯度變化相適應(yīng)；整個(gè)求解域內(nèi)的單元變化是光滑的進(jìn)行；單元的扭曲度較小，單元的寬高比不大于5：1。

根據(jù)本數(shù)據(jù)機(jī)房的幾何尺寸，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域劃分步長(zhǎng)不大于機(jī)房實(shí)際尺寸的1／20。X軸方向的最大尺寸為：Max X size＝0.3605；Y軸方向的最大尺寸為：Max Y size＝0.21；Z軸方向的最大尺寸為：Max Z size＝0.55。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，其網(wǎng)格的質(zhì)量報(bào)告為：

NODES：286237

HEXAS：271048

QUADS：76880

Faces＋solids：814

Co mputing element quality（f ace align ment）...

Range：0.370522－＞1

Total fl uid vol u me is 367.656 m＾3

One r oo m－change per hour＝vol u me flow rate of 0.102126666666667 m＾3／s

由于機(jī)房和各空調(diào)機(jī)、各數(shù)據(jù)設(shè)備和機(jī)柜都簡(jiǎn)化成六面體，所以模型建立在笛卡爾坐標(biāo)系下，采用控制容積離散方法將微分方程離散成代數(shù)方程。將微分形式離散成代數(shù)形式的過(guò)程中采用上限差分格式，采用多重網(wǎng)格劃分法。對(duì)整個(gè)控制方程的求解采用SI MPLE算法［13～15］，在每一次迭代結(jié)束后進(jìn)行下一輪迭代之前，所賦的新值采用欠松弛方法，以此加強(qiáng)非線性耦合方程迭代求解的穩(wěn)定性。本次模擬速度變量松弛因子取0.3；壓力項(xiàng)的松弛因子取0.7；紊流動(dòng)能和紊流耗散能的松弛因子取0.1；其它變量的松弛因子取1.0。在求解的過(guò)程中，判斷各個(gè)變量收斂的標(biāo)準(zhǔn)也不相同，見(jiàn)表1。

表1 各方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)

3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 計(jì)算結(jié)果

上機(jī)計(jì)算到460多次的時(shí)候，達(dá)到各方程殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)，Air pak自動(dòng)結(jié)束運(yùn)行，得出結(jié)果，如圖8。

圖8 模式一殘差曲線圖

經(jīng)導(dǎo)出，各剖面矢量圖、溫度云圖清晰有序，以機(jī)房專用空調(diào)機(jī)出風(fēng)口中心高度Y＝2.3 m處剖面為例顯示如圖9、圖10；以機(jī)柜上部風(fēng)扇中心高度Y＝1.54 m處剖面為例顯示如圖11、圖12。

圖9 Y＝2.3 m剖面矢量圖

圖10 Y＝2.3 m剖面溫度云圖

圖11 Y＝1.54 m剖面矢量圖

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖12 Y＝1.54 m剖面溫度云圖

為證實(shí)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了手持式Testo405－V1溫度、風(fēng)速測(cè)量?jī)x對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試部位包括兩臺(tái)運(yùn)行中的空調(diào)機(jī)出風(fēng)口、各數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜上下風(fēng)扇出風(fēng)口86個(gè)點(diǎn)，共計(jì)88個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)試時(shí)，將儀器探頭部分貼近空調(diào)出風(fēng)口、風(fēng)扇出風(fēng)口中部，距離風(fēng)口、風(fēng)扇本體1 c m；并使探測(cè)杠垂直于出風(fēng)方向；依據(jù)儀器敏感度控制測(cè)試時(shí)間，以測(cè)試3 s之內(nèi)的溫度平均值為測(cè)試值。

對(duì)空調(diào)機(jī)出風(fēng)口2個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。從表中可以看出，對(duì)兩臺(tái)空調(diào)機(jī)出風(fēng)口溫度測(cè)試結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相差不大，誤差均在3%以內(nèi)。

表2 空調(diào)機(jī)出風(fēng)口測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

圖13和圖14分別為數(shù)據(jù)設(shè)備上、下部風(fēng)扇出風(fēng)溫度的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)溫度的測(cè)試值和模擬值均能較好的吻合，其中第十一號(hào)機(jī)柜下部風(fēng)扇模擬值與測(cè)試值相差2.12℃、7.8%，第二十號(hào)機(jī)柜上部風(fēng)扇模擬值與測(cè)試值相差2.06℃、6.5%，說(shuō)明本文所用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房氣流組織特性和環(huán)境參數(shù)的模擬是可行的。

圖13 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜上部風(fēng)扇出風(fēng)溫度的模擬值與測(cè)試值對(duì)比

圖14 數(shù)據(jù)設(shè)備機(jī)柜下部風(fēng)扇出風(fēng)溫度的模擬值與測(cè)試值對(duì)比

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，構(gòu)建了仿真的長(zhǎng)沙市某數(shù)據(jù)中心機(jī)房CFD模型，并驗(yàn)證了：

（1）精確地依據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的真實(shí)尺寸、部件特性，進(jìn)行模型構(gòu)建，模擬結(jié)果更接近實(shí)際運(yùn)行情況。

（2）數(shù)據(jù)設(shè)備本身所帶的排熱風(fēng)扇作為機(jī)房?jī)?nèi)氣流構(gòu)成者，對(duì)其進(jìn)行精確模型構(gòu)建，模擬結(jié)果才具有指導(dǎo)意義。

（3）機(jī)房專用空調(diào)機(jī)的回風(fēng)口設(shè)置為定量定壓的模型，才能使得模擬回風(fēng)量等于真實(shí)風(fēng)量。

［1］ TC 9.9，Mission Critical Facilities，Datacom equip ment power trends and cooling applications［Z］.American Society of Heating，Refrigerating and Air－Conditioning Engineers Inc，2005.

［2］ Cho J K，Ki m B S，Jeong C S.The planning and design of t he opti mal cooling system f or IT environ ments in data centers［J］.Jour nal of the Architectural Institute of Korea，2008，24（12）：313－320.

［3］ Jinkyun Cho，Taesub Li m，Byungseon Sean Kim b.Measurements and predictions of the air distribution systems in high co mpute density（Inter net）data centers［J］.Energy and Buildings，2009，41：1107－1115.

［4］ Yiqun Pan，Rongxin Yin，Zhizhong Huang.Energy modeling of t wo office buildings with data center for green building design［J］.Energy and Buildings，2008，（40）：1145－1152.

［5］ Kailash C Karki，Suhas V Patankar.Airflow distribution thr ough perforated tiles in raised－floor data centers.Building and Environ ment，2006，（41）：734－744.

［6］ 趙相相，周孝清.某計(jì)算機(jī)房空調(diào)氣流組織方式的數(shù)值模擬［J］.制冷，2005，（S1）：26－29.

［7］ Fredrik Karlsson J，Bahram Moshfegh.Investigation of indoor cli mate and power usage in a data center［J］.Energy and Buildings，2005.（37）：1075－1083.

［8］ H S Sun，S E Lee.Case study of data centers’energy perfor mance［J］.Energy and Buildings，2006，（38）：522－533.

［9］ 廉小虎，李 哲，謝軍龍.空調(diào)建筑節(jié)能及其主要途徑［J］.鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（3）：16－19.

［10］陳江平，孫召璞，闕雄才，等.輕型客車室內(nèi)通風(fēng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，20（2）：169－172.

［11］Nakahashi.An Auto matic Grid Generator for The Unstructured Up wind Method［D］.AIAA Paper，1989，（3）：52－57.

［12］ Ward S，Kallinderis，Y Hybrid Pris matic.Tetrahedral Grid Generation for Co mple E 3－D Geo metries［D］.AIAA Paper，1993，（4）：72－79.

［13］S.V.帕坦卡，著.郭寬良，譯.傳熱和流體流動(dòng)的數(shù)值方法［M］.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1984：301－305.

［14］楊 惠，張 歡，由世俊.基于Air par k的辦公室熱環(huán)境CFD模擬研究［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（4）：41－44.

［15］郭寬良.數(shù)值計(jì)算傳熱學(xué)［M］.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1987：7－19，51－5.