新疆理工學院 莊蕾 馬和平 張俊 要志梅 趙樂

海底數(shù)據(jù)中心是安放在海底密閉壓力容器中，通過海底復合電纜供電并回傳數(shù)據(jù)至互聯(lián)網(wǎng)的大型數(shù)據(jù)處理和計算中心。在不同內(nèi)外部因素影響下，如何求得集裝箱散熱最優(yōu)的關(guān)鍵問題。根據(jù)集裝箱內(nèi)部空間大小，放置服務器數(shù)量以及外形選材方面對海底環(huán)境因素的相關(guān)指標進行綜合分析?；诖?，從建立權(quán)重與因素分析模型，借助對流傳熱理論，設計出分配集裝箱外形評估、散熱最優(yōu)決策方案。

在這個數(shù)據(jù)大爆炸的時代，建立數(shù)據(jù)中心顯得尤為重要，其中合適的集裝箱數(shù)量會最大化利用空間，減少維護成本的損耗。此外，響應新時代，在“雙碳”目標要求下，我國綠色發(fā)展方式將加速培育、漸成常態(tài)，生態(tài)文明建設，進入綠色發(fā)展新階段[1]。所以不同的集裝箱外形選材往往也會改變成本、盈利，不同的影響因素會構(gòu)成不同的決策選擇，最優(yōu)的決策會減少損耗，增加公司收益。

1 集裝箱空間與服務器放置數(shù)量的模型與分析

隨著電子科技的發(fā)展，電子元器件的體積變得越來越小，但功耗和散熱等問題越來越大并成為瓶頸性問題，造成電子元器件本身和使用電子元器件設備的熱流密度不斷增大[2]。

首先，在不考慮服務器的散熱需求，對集裝箱最多可以放多少個服務器進行計算，得到存放最大值。

其次，考察并計算服務器結(jié)構(gòu)的散熱情況，得到1個單位的集裝箱內(nèi)最大放置服務器的數(shù)量。

將高為44.45mm，寬為482.6mm，長為525mm的IU服務器放入直徑為1m，長為12m，外形為圓柱體的集裝箱可有3種分析，分別為寬和高與圓柱體底面平行，長和高與圓柱體底面平行，長和寬與圓柱體底面平行。以圓柱體的底面為例，如圖1所示。

圖1 圓柱底面分析模型Fig.1 Analysis model of cylinder bottom surface

將數(shù)據(jù)代入公式（1）進行計算：

可得出：

（1）當圓柱底面是長和高時，其中IU服務器長和高分別為525mm、44.45mm，經(jīng)Excel計算可得，其底面的平面最多存放17個IU服務器，在此基礎上，集裝箱可放置454個IU服務器。

（2）當圓柱底面是寬和高時，其中IU服務器寬和高分別為482.6mm、44.45mm，經(jīng)Excel計算可得，其底面的平面最多存放12個IU服務器，在此基礎上，集裝箱可放置222個IU服務器。

（3）當圓柱底面是長和寬時，其中IU服務器長和寬分別為525mm、482.6m，經(jīng)Excel計算可得，其底面的平面最多存放1個IU服務器，在此基礎上，集裝箱可放置269個IU服務器。

綜上所述可以得到，在不考慮IU服務器電子元件的散熱的情況之下，1個集裝箱最多可以放置454個IU服務器，之后再將電子元件的散熱情況放入考慮之中。

在只考慮服務器電子元器件的散熱需求這一個元素時，為了確定估計出單個集裝箱內(nèi)可以放置多少個IU服務器，建立熱平衡方程模型，對放熱與散熱情況進行評估分析。

假設單個集裝箱內(nèi)部放置功耗為Pi的n臺IU服務器，定義第i臺IU服務器吸納的冷風溫度為：，吸熱為，呼出的熱風的溫度為：，放熱為。

接著，運用熱力學定律和能量守恒定律可以建議的IU服務器的熱平衡方程模型如式（2）所示：

但由于服務器吸入的冷水中會混有少量的循環(huán)熱水，散熱運用齊德-泰勒公式計算吸收的熱量，如式（3）所示：

借助Excel等軟件計算出長方體型的集裝箱的散熱翅片可以吸收的熱量為1725.12J，如式（4）、式（5）所示。

由于單個服務器的產(chǎn)熱為500W，且要使服務器能夠正常工作，那么數(shù)據(jù)中心所在集裝箱的溫度就不能超過80℃[3]。假設將IU服務器所消耗的功率全部轉(zhuǎn)化為熱能，所以要得到IU服務器的表面和冷卻水之間的換熱情況，需用穩(wěn)態(tài)換熱流方程模型即可表述公式如式（6）所示：

利用公式（6）所建立的穩(wěn)態(tài)換熱方程模型，即可得到IU服務器表面溫度的向量形式如式（7）所示：

再將服務器入口以溫度向量形式“代入”IU服務器表面溫度的向量形式后，可得到IU服務器表面溫度表示如式（8）所示：

可以得出：1個集裝箱內(nèi)部最多可以安放的IU服務器數(shù)量為230個。

2 集裝箱外形選材多目標決策分析模型的建立與分析

集裝箱設計分析流程模型，如圖2所示。

圖2 集裝箱設計分析流程模型Fig.2 Flow model of container design analysis

集裝箱式儲能系統(tǒng)具有高集成性的特點，也對系統(tǒng)的散熱能力提出了更高的要求[3]。

假設為圓柱型集裝箱其直徑為1m，高度為12m；若長方體集裝箱則寬度為1m，長度為12m。

根據(jù)圖示分析，運用物理吸熱的公式計算出四周包裹的翅片的吸熱量，再對內(nèi)體積下可以放下多少服務器，計算熱量Nuf。

考慮自然對流有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準則數(shù)為Gr，得到如式（9）所示：

在穩(wěn)定情況下，散熱器表面所散發(fā)的熱量如式（10）所示：

管內(nèi)水流所帶走的熱量公式如式（11）所示：

總熱量如式（12）所示：

借助Matlab和Excel計算出長方體型的集裝箱的散熱翅片可以吸收的總熱量，則長方體內(nèi)約可以放下311個服務器，長方體型集裝箱達到80℃時可以放置的服務器數(shù)量約為280個。

最后，兩種設計對比散熱程度、遠程能耗、維修成本、資源運用等一系列問題后得出長方體型的不論是放服務器的數(shù)量還是散熱效果都要比圓柱型的有較好的優(yōu)勢，故選擇長方體型集裝箱。

3 集裝箱中服務器散熱影響因素層次結(jié)構(gòu)模型的建立與分析

（1）首先對于散熱因素的影響，建立了一個層次分析模型。該模型的層次包括：目標層——對散熱的影響；準則層——溫度、水位、壓強；因素層——節(jié)性環(huán)流、季節(jié)性季風、潮汐。影響散熱的層次分析結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 影響散熱的層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Hierarchical analysis structure model affecting heat dissipation

潮汐是通過改變海水深度直接影響海底數(shù)據(jù)中心 集裝箱表面的海水溫度，當出現(xiàn)潮漲時，海底數(shù)據(jù)中心集裝箱的深度增加，集裝箱周圍海水的溫度降低[4]。

因此，需要考慮潮汐會影響到海平面的變化，季節(jié)變化會影響溫度變化，或直接影響到海底數(shù)據(jù)中心的服務器的散熱，從而影響到用戶體驗。

由于海水深度不同，導致壓強不同，從而導致溫度也會隨之發(fā)生變化，影響集裝箱的散熱程度。

因此溫度與水深也存在一定的關(guān)系，海水越深溫度會越低，將溫度與水深的關(guān)系建立模型并擬合出曲線。

海水溫度是反映海水熱量狀況的一個物理量，海水的溫度決定于輻射過程、大氣與海水之間的熱量交換和蒸發(fā)等因素。海洋水溫在垂直方向上，上層和下層截然不同，海洋上部在1000～2000m的水層內(nèi)，水溫從表層向下層降低很快，而2000m以下海水溫度幾乎沒有變化。

構(gòu)造判斷矩陣，比較權(quán)重。其中溫度占另外3個的權(quán)重，如式（13）所示：

其中溫度占3個因素比重，如式（14）所示：

其中水位占3個因素的比重，如式（15）所示：

其中壓強占3個因素比重，如式（16）所示：

對每一個對比矩陣計算最大特征根及對應的權(quán)向量利用軟件分別求得矩陣A，B1，B2，B3的最大特征根及對應的特征向量。

表1 隨機一致性指標Tab.1 Random consistency index

對于n≥3的矩陣，將它的一致性指標C1與同階的隨機性一致時為比例CR。當時，認為矩陣的不一致程度在允許的范圍內(nèi)，可用特征向量作為權(quán)向量。利用上述方法依次求值，均小于0.1，即在允許的氛圍內(nèi)。

算術(shù)平均法求權(quán)重：

第一步：將判斷矩陣按照列進行歸一化；

第二步：將歸一化的各列進行相加；

第三步：將進行相加后所得到的向量中每個元素除以n即可得到權(quán)重量。

假設判斷矩陣C，得到如式（17）所示：

那么得出算數(shù)平均法求得的權(quán)重向量如式（18）所示：

對結(jié)果進行歸一化處理得出權(quán)重如表2所示。

表2 權(quán)重與因素分析模型Tab.2 Weight and factor analysis model

根據(jù)表2權(quán)重與因素分析模型可知，季節(jié)的水位對海底數(shù)據(jù)中心外殼影響大，潮汐對溫度影響也大。

4 結(jié)語

本文分析并設計了集裝箱的外形，評估散熱程度和對服務器的需求進行預測，其中層次分析模型和多目標決策分析模型可最大化利用空間，實現(xiàn)低成本、高需求，在此基礎上可對其進行商業(yè)模式的規(guī)劃，同時也為政府管理部門的行業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。由此看來海底散熱問題是未來發(fā)展熱點，信息處理能力也是一個國家科技實力的體現(xiàn)。

引用

[1]邢虎松,杜利楠.我國內(nèi)貿(mào)集裝箱水運發(fā)展的前景展望[J].中國港口,2022(4):42-46.

[2]陳俊杰,周雷,秋雨豪.IGBT散熱器風冷散熱優(yōu)化設計與評估[J].工業(yè)技新,2020,07(6):45-49+66.

[3]潘守文,唐春秀,張海龍,等.儲能集裝箱變壓器艙散熱設計研究[J].科技與創(chuàng)新,2022(5):72-74+78.

[4]寧桂英,段漢斌,黃俊超,等.基于對流傳熱模型的海底數(shù)據(jù)中心散熱優(yōu)化設計[J].黑龍江科學,2021,12(20):4-7.