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数据中心气流组织的数值研究
  • 运用CFD方法对数据中心机房内的气流组织进行了研究,分别对单个机柜和整体机房进行了不同工况下的模拟,并提出了高热密度工况下的气流组织方案,为优化数据中心内的气流组织设计,降低数据中心的PUE指标提供了依据。

    数据中心具有散热量大、散湿量小、空调送风量大,并对空调系统的可靠性要求极高等特点。不仅对温度,湿度,洁净度有较高要求,而且对温度场的分布也有很高的要求。
      
      对数据中心进行气流组织设计的主要目的是为了使室内的温度、湿度、空气质量、空气流速等指标符合工艺的要求,满足空气分布特性(ADPI)的要求。而且与一般的空调系统不同,由于数据机房散热量十分巨大,机房内结构,布局,设备发热量不均匀,而且对其中的每一台设备都有严苛的温湿度要求。因此,做好数据中心的气流组织设计对整个机房的空调设计至关重要,同时也是空调设计的难点,往往通过传统的理论分析和方程推导是很难全面了解数据机房内的气流组织情况。为了更加有效地对数据中心内的气流组织进行分析及优化,目前主要采用CFD(计算流体动力学)方法进行模拟研究。
      
      1 气流组织模拟的基本设定
      
      数据中心内的空气流动在经过一段时间后达到稳态,流态包括层流和湍流,为自然对流和强迫对流的混合流动;室内空气为低速粘性的不可压缩流体,且满足Boussinesq假设,即在自然对流中,除了动量方程中的浮力项中的密度是温度的函数外,其他所有求解方程中的密度均假设为常数。

    根据以上设定,数据中心机房内的空气流动与对流传热的控制方程可以写成如下形式:

    通用控制方程中各符号的具体形式见表1。
      
      2 单机柜气流组织的模拟
      
      当空调机组和和设备发热的负荷相匹配的时候,决定冷却效果的主要因素就是对机柜的气流组织。实际应用中常常发生冷量与负荷匹配但冷热不均的,冷却效果不佳的情况,造成某些服务器局部过热而宕机。传统的机房送风方式主要有两种,一是上送下回式;二是下送上回式。
      
      首先采用CFD软件对单个机柜的情况进行模拟,以某数据中心项目为基本设定条件。取单个机架尺寸为1.0m×0.6m×2.2m,机柜功耗为6kW,送风口回风口的尺寸都为0.6m×0.6m,并在机柜的一侧设置了一个风扇模型,模拟机柜内散热风扇的作用,如图1,对两种主要的送风方式进行模拟分析。
      
      设置两个模型的进口速度均为2m/s,排风口为压力出口,进行六面体网格的生成如图2所示:采用一阶差分格式,并选用合适的松弛因子进行计算,得到的温度场分布如图3所示,可以发现在同样的送风量、风速、的条件下,下送上回方式的温度分布具有明显的优势,而上送下回方式方式中的温度分布很不合理,不仅有超过45℃的区域出现,而且机柜内的温差较大。
      


      在速度场分布的两张图中也可以看出,采用下送上回方式,在机箱内的流线分布非常均匀,除了机柜最下部的速度偏小之外,整个机柜内在x方向上的速度几乎是均匀的,而上送下回方式在x方向上的速度分布很不均匀,上部明显偏小,下部越来越大,造成机柜内温差较大,局部温度超限;而且在机柜顶部形成了一个明显的漩涡,对整个机房内的气流组织非常不利。
      
      通过以上对模拟结果的分析,可以得出,传统的上送下回方式并不能很好的适应数据机房的特点,应采用下送上回方式对数据中心机房进行气流组织方式。
      
      3 机房整体气流组织的模拟
      
      选取典型的数据机房模块进行模拟,机柜尺寸为1.0×0.6m,四个一列放置,两列机柜之间的地面上有1.2m宽的送风通道,称为冷通道,机柜阵列的另一侧的天花板上设置回风口,称为热通道,宽度也是1.2m,送风平均速度设定为2m/s。一种模型为冷热通道不隔离,另一种为冷热通道隔离,隔离板厚度为0.1m,如图5所示,

    分别用两种模型进行模拟计算,结果如图6-图9所示,可以明显看出在冷热通道隔离的情况下,数据机房内的气流组织更加合理,机柜散热效果更好,但仍有很小的一部区域超过45℃的温度限值,但此部分区域位于机柜最下方不装设服务器,故不影响整体散热效果。
      
      

    4 数据机房内气流组织的优化
      
      当前主要的数据中心单个机柜的功率密度在3kW-6kW的数量级的范围内,采用下送上回的冷热通道方式基本上可以满足机柜散热的需要,但是当功率密度超过6kW时,这种方式也无法很好的满足机柜的散热需要了。假设机柜的发热功率增加一倍,加大到每个机柜12kW(每台机柜的尺寸为1.2×0.6×2m),一列机柜四台总共48kW的发热量,其他条件不变的情况下进行模拟,得到的温度场分布如图10所示,可见有大量区域超过45℃,机柜内的最高温度甚至达到74.5℃,远不能满足冷却机柜的需要。
      
      在不改变几何条件和机柜发热量的情况下,为了达到工艺需要的冷却效果,可以增加送风量,将送风口的风速增大50%,达到3m/s,进行模拟,得到的温度分布如图11所示,可见在不改变气流组织的情况下,即使增大风量50%的情况下仍远不能满足机柜散热量较大时的需要因此在不大量增加送风量的情况下,就需要更好的利用气流组织来满足机架的散热需要。在原有冷热通道的基础上,可以在机柜的下部直接开出送风口,而顶部直接开出风口,让气流更加有效的在机柜内流动,其原理如图12所示。
      
      

    按照图12的原理建立模型,仍然设定机柜发热功率为12kW,平均送风风速为2m/s,经过计算,由于增加了机柜底部的送风口,增加风量仅为27.7%,而这种气流组织的效果却远优于单纯增加冷通道送风量的方法,如图13~14所示,可以明显看出在优化的气流组织的条件下,温度场分布非常理想,机柜内的温度基本在30℃一下,而且分布比较均匀,速度场在机柜内的分布也较为均匀,非常好的满足了发热功率较大的情况。
      
       

     对于发热量更大情况,则可以通过CFD模拟进行分析,选用高架活化地板,液冷散热系统,甚至直接蒸发式散热系统。
      
      5 结束语
      
      通过CFD模拟,我们可以得到复杂流场内各个位置上的速度,温度,压力等的分布等情况。通过对以上几种典型的数据中心进行CFD模拟分析,得出以下结论:
      
      ①在数据中心的设计中,应优先考虑采用下送上回的送风方式,并注意采用合理的气流组织满足机柜散热的需要。
      
      ②对单机柜功耗为6kW~10kW的机柜,在1.2m冷通道的前提下,单纯增加送风量,提高空气流速已不能很好地消除机柜的发热量,需要采用局部制冷或者扩大冷通道结合机柜内送风等方式来进行散热。
      
      ③当单机柜功耗超过6kW时,需要用专门CFD模拟软件进行模拟,以验证所采取的空调方案是否可行。
      
      CFD模拟技术可以帮助我们更好地设计空调系统,优化气流组织,以较小的能耗满足工艺散热的需要,提高设备运行的可靠性,帮助我们对不同发热量级别的数据中心合理地选择空调方案。
      
      参考文献
      
      [1]孙研.通信机房节能综合解决方案[J].电信工程技术与标准化,2006年第6期:P26-29
      
      [2]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社2004.9
      
      [3]肖剑春.通讯机房空调气流组织模拟及参数调节[M].黑龙江.哈尔滨工业大学.2008.
      
      [4]魏蕤,简弃非,杨苹.空调布局对数据机房内热环境影响的试验与仿真研究[J].暖通空调,2010,40(7):91-94.
      
      个人简介
      
      代锐,男,生于1982年5月,2010年6月毕业于北京邮电大学管理科学与工程专业,获工学博士学位。2010年6月至今就职于国家计算机网络应急技术处理协调中心,任职期间承担该单位数据中心建设任务。
      
      刘俊贤,男,生于1988年8月,2011年6月毕业于西安科技大学通信与信息系统专业,获工学硕士学位。2011年7月至今就职于国家计算机网络应急技术处理协调中心,任职期间承担该单位数据中心建设任务。
      
      编辑:Harris
      

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