数据机房热区内气流组织的数值模拟及优化

第29卷,总第167期2011年5月,第3期

5节能技术6

ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGY

Vol129,Sum1No1167

May12011,No13

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 5100)

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316m/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013m。

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

inaDataCenterpsHot-zone

SHENXiang-yang,CHENJia-shu,LVJin-hu,LUJian-feng,YANGJian-ping(1.CollegeofMechannical&ElectricalEngineering,ZhongkaiUniversityofAgricultureandEngineering,Guangzhou510225,China;2.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510006,China;3.KeyLaboratoryofEnhancedHeatTransferandEnergyConservationoftheMinistryofEducation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5100,China)Abstract:Themodelofflowandheattransferfordatacenter'hot-zonehasbeensetup.Thevelocitydistribution,temperaturedistributionandpressuredistributionofthedatacenters'hot-zonearesimula-tedbyFLUENTsimulationsoftware.Thesimulatedvaluesfitwellwiththemeasuredvalues.Asforthedefectofairdistributioninhot-zone,anoptimizedprojectisgivenfromtheenergyconversationperspec-tive,whichissimulatedandanalyzedbyFLUENTsimulationsoftware.Theresultsshowthatthebestsupplyairvelocityofairconditioninginthedatacenters'hot-zoneis316m/s,andthebestplacementofSUN4900serverisstaggeredpositionwithstaggereddistance013m.Keywords:datacenter;numericalsimulation;hot-zone;airdistribution

1,2

1

1

2

3

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

#233#

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1112m;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0165m。两类服务器的宽度均为0144m,相邻服务器之间的水平距离均为0114m。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0118m@0111m,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3179m@1152m@1190m。空调送风口距离地面0135m,尺寸为0133m@1140m,送风口左右下角两点坐标分别为(-0120,0,0135),(0113,0,0135);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0145m,每列14个服务器从地#234#图2 热区的物理模型

1.2 数学模型

本文采用k-E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

555555(Qu5)+(Qv5)+(Qw5)=(#5)+5x5y5z5x5x555555(#5)+(#5)+S55y5y5z5z

式中 5)))代表速度分量u、v、w及温度T等其它

变量;

󰀁5)))变量5的扩散系数;S5)))变量5的源项;

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5、󰀁5及S5的表达式

方程连续性方程动量方程能量方程

51uT

󰀁50LK

Cp

S505p5x0

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,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-E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316m/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-49.9~99.9e范围内测量精度?0.1e。实际测量热区内5点(5点坐标分别为(0,-1.0,016),(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

L)))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u0=316m/s,温度T=29512K;3650服务器出风口风速u0=116m/s,温度T=29917K;SUN4900服务器出风口风速u0=718m/s,温度T=31010K。热区出口压力pout=-10Pa。为了便于比较,以下所有计算中,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30e(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

#235#

可知,风速最大误差为912%,温度最大误差为316%,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215m/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316m/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415m/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316m/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316m/s最佳。因此后续的计算中,空调送风风速均取316m/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#236#图7 z=0.6m的压力分布

图8 z=0.6m的速度矢量分布

316m/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0165m,出口大小为0118m@0111m,因此,全交错放置时,服务器彼此的最小垂直距离为0111m。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012m,013m,014m等。

当取012m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014m,012m,0m。右侧SUN4900服务器底部从前到后分别距地面012m,0m,014m。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014m,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012m。

z=016m平面为SUN4900服务器出风口所在的平面,z=017m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012m时,z=016m,z=017m的速度分布如图9。

013m(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016m,013m,0m;右侧

SUN4900服务器底部从前到后分别距地面013m,0m,016m。)时,z=017m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013m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014m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013m。

当SUN4900服务器的全交错距离取013m时,z=016m、z=019m和z=112m平面为所有SUN4900服务器出风口所在的平面,图11分别为z=016m、z=019m和z=112m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=016m时可以看出,SUN4900服务器处于全交错状态,且全交错距离为012m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=017m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316m/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

(下转第280页)

#237#

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(上接第237页)

风口错开一定的距离后,SUN4900服务器出风口处不存在热风对撞现象,由于空调送风气流的作用,使得热风迅速向热区出口流动,服务器出风口排出的热风相互干扰很小,此时,热区内热风聚集量少,服务器背侧的温度上升小,在冷区空调送风量一定的情况下,更有利于服务器的散热,即服务器的散热效率得到提高。因此SUN4900服务器的全交错距离最佳值取013m。

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4 结论

(1)利用Fluent软件对实际数据机房热区内气流组织进行模拟,模拟所得值与实测值比较,风速最

大误差为9.2%,温度最大误差为3.6%,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)对不同风速的空调送风进行模拟,比较其气流组织,综合分析后得出空调送风风速为3.6m/s最佳。

(3)通过对SUN4900服务器的不同放置方式进行比较,可以得到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,此时服务器出风口出风相互干扰最小,气流在热区内能够较顺利的流出热区出口,服务器的散热效率得到提高。

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