基于FLUENT的3D绿色机房建模

吴茜梦+张金

【摘 要】 通过对现有机房的实际测试，建立3D机房模型，模拟得到机房温度场和速度场等数据，仿真出机房的热环境，从而为机房的设计及维护提供科学指导。首先，通过对机房中冷通道进行均匀取点测试出温度与风速的值，得出相应的温度场、流场分布及最高温度位置。其次，根据测试机房的实际情况，得出了温度场及流场的数值结果。

【关键词】 3D机房 温度场 速度场 FLUENT软件 MATLAB

1 问题分析

1.1 背景知识

该类机房采用独立的空调通风制冷系统（HVAC），机房机柜的布置通常按一定的行业设计规范要求布置。相邻机柜的出风口面对同一个通道。形成热通道。机房内热气流经循环进入HVAC顶部，在经过水冷系统冷却后从地下冷风槽通过中孔板送入机柜进风口，形成冷通道。对于此类机房，往往由于机柜布置的不合理，以及各机柜服务器任务分配的不合理，造成机房内局部温度过高（形成热点）。为了保证服务器的健康工作，通常需要HVAC降低送风温度或加大送风量，造成耗能增加。绿色数据中心的主要任务之一就是根据机房的基础设施状态，按照行业规范要求合理地布置机柜，分布任务，尽量避免局部地区过热。

1.2 需要解决的问题

（1）根据测试的数据，绘出冷、热通道的热分布及流场分布及室内最高温度位置。

（2）建立物理模型与数学模型，模拟出数值结果。

（3）如果定义该机房的总体任务量为1，根据测试的数据，确定服务器不同任务量的最优化模型。

（4）对模型进行综合评价与改进。

2 基本假设

（1）所有机器工作正常，以恒定的功率散发热量。

（2）因为室内空气的流速远小于音速故可认为室内气体为不可压缩流体，且符合Boussinesq假设，即认为流体密度变化仅对浮升力产生影响。

（3）外墙及服务器散热面传热均匀，按照稳态传热处理，室内个传热表面之间忽略辐射影响。

（4）室内气体属于粘性流体，作定常流动，忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

（5）气流流动为紊态流动。

（6）假设流场具有高紊流Re数，流体的紊流粘性具有各向同性。

（7）不考虑渗透风的影响，即认为模拟房间内气密性良好。

3 模型建立与求解

根据数据，运用温度来作为冷通道和热通道的热分布的指标，同时，用风速来作为冷通道和热通道流场分布的指标。此时，对温度影响的因素只有距空凋的位置和高度两个指标。这样运用Matlab软件，对数据进行插值拟合计算，来刻画出冷热通道的热分布和流场分布的三维曲面图。通过作图，得出了冷热通道的热分布和流场分布的三维曲面图，并根据图来找出室内温度最高点的准确位置。

在图1中，可以很清楚地发现温度随着高度增加而增加，有高度的吻合性。同时它的温度也存在一个上限30℃。但是它的温度的最高点相对热通道而言还是比较低的，由此可以得出，室内温度的最高点不会在冷通道中。我们做出了热通道的热分布，在热通道中寻找室内温度最高点。由图2可得，在热通道内同样是温度随高度增加而增加，但是在距离空调的位置这个变量上，温度先随距离空调位置的距离增加而增加，但是在达到2.2m之后，它的温度就随之减少。所以我们通过图可以发现室内温度的最高点在[2.2，3]的空间邻域内。

但是，我们仅仅考虑热分布还不够，下面我们还根据附录二的数据作出了在不同场中的流场分布，具体如下图3和图4所示。

由图3、4可知，风速随着高度的增加而增加，也就是说温度高的地方风速大，热交换频率越快，同时在距空凋的位置越远时，它的风速反而越小。同样，风速也有上限，上限为1m/s。下面考虑热通道的流场分布，如图4所示，我们发现热通道中的流速大概在0.1m/s～1m/s，同时它的变化范围波动不是很大。综上所述，我们绘出冷、热通道的热分布及流场分布，得出室内最高温度位置在[2.2，3]的空间邻域内。

4 3D绿色机房建模的综合评价与改进

4.1 对空调风柜的送风和回风调配具体方案

（1）调整通信机房的送风口速度。送风口速度的最大值控制在6m/s以下（百叶窗送风速度一般是2～4m/s）。

（2）将回风口1的回风温度与回风口2中气流温度控制为相同值，这样有利于机架的散热，提高冷量的利用率。

（3）由于机架的回风只能通过两侧的通道到达回风口，在接近通道处的送风口风速过大容易造成冷空气来不及换热而直接到达回风口，造成冷量浪费，同时送风风速高对前面的回风和同排机架回风造成风阻，影响回风。由此，在风量的调节上，接近通道处的风口风速不应过大，同排机架送风口中间的风口风速较大有利于机架间热空气的及时回风。

（4）由于风速过高，在达到机架顶部之前还没有扩展开，机架表面处于卷吸形成的涡流边缘，对流换热程度较弱，但在中部涡流扩散开来加强了换热，小风量出风口的风速在通信机架顶部扩散开来，到达中部完全衰减，通信机架的中上部换热效果良好。因此，为便于换热应使不同风量的出风口交错排列。

（5）通过调整回风温度：原机房设计要求机房温度在18℃～28℃，在回风温度只要达到25℃时空调系统的制冷开始工作，到15℃时空调制冷系统关闭，此时出风温度在15～25℃，这样才能达到全机房的温度要求。

4.2 数据机房的节能改造建议

（1）调整机房的送风口速度。从测试数据和仿真模拟计算图可以看出，目前的送风口速度分布明显不合理，将送风口速度的最大值控制在6m/s以下，这样可以控制、调整通信机架的温度场分布，将机房中的最热区域与最冷区域的温差控制在3℃左右，提高冷量的利用率，也是空调节能的一个主要方法之一。endprint

（2）控制风柜风量的大小、温度，目前风柜的风量控制调整需要精确化。从测试数据分析可以分析，风柜提供的冷量偏大约50KW左右冷量。

（3）精确测定和控制冷冻水的流量与温差，使冷冻水在正常的温差5℃，降低制冷主机和水泵的功耗。

（4）优化调整冷冻水流量与温差、风柜的风量、送风口的流速这些机房空调的关键参数，理论上可以节能30kW左右（冷冻水及水泵节能4～5kW、风柜节能6～8kW、机房能量消耗减少节能20kW）。

4.3 模型的评价与改进

通过对部分机房设施进行简化，保留机架及其布局特征，并以测试的入口温度、风速和机架散热量为边界条件建立CFD模型对机房进行模拟，并将机架前后的实测值和模拟值进行对比，初步证明模拟得到的机房温度场能够较为真实地反映实际情况。从实测和模拟数据都可以看出，机房热环境状况和机房内热源分布，进风口参数与回风口的设置有极大的关系。

（1）在人力物力允许的情况下，增加温度阵观测点的数量，同时记录固定观测点处的温湿度、风速、风向的变化规律，更好地了解机房内部区域热环境分布情况。

（2）模拟中需要进一步细化机架进出风口对热环境的影响作用。模型中的仅考虑了机架壁面的热流量，没有考虑内置风机的影响，直接的后果就是模拟的风场受进风口风量的大小影响很大，机架前后温差与实测机房前后温差相差很大。

（3）模拟采用的数学模型，机房环境模拟采用的是标准κ-ε方程及其改进方程，模拟相当于理论计算，机架周围产生的涡旋绕流以及静风区，能够较为贴近实际的模拟出来，而实际情况中采用简单的方程无法模拟。在运用FLUENT进行计算的时候，进一步考虑机架外部热环境对内部气流组织的影响。

参考文献：

[1]黄赟.通信机房空调设计中的几个问题.通信电源技术，2006，23：62-64.

[2]Don Beaty，Tom Davidson.Datacom Airflow Patterns[J].ASHRAE Journal.2005，（12）：3-4.

[3]R.Jeffrey，J.Yogendra.Modeling of data center airflow and heat transfer：State of the art and future trends.Distrib Parallel Databases.2007，21：193–225.

[4]陶文锉.数值传热学（第2版）.西安：西安交通大学出版社，2001.

[5]费翔麟，胡庆康，等.高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，1983.

[6]林素菊.高大空间分层空调内气流的数值模拟[J].制冷与空调，2005，5（1）：4-6.

[7]汤广发.室内气流数值计算及模型试验[M].长沙：湖南大学出版社，1989.

[8]孙文志.中央空调的变频调速方案及节能机理[J].辽宁师专学报：自然科学版，2004（4）.

[9]简弃非，葳蕤，杨苹，颜永明.通信机房气流组织测试与仿真研究[J].节能技术，2009（4）.

[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制风柜风量的大小、温度，目前风柜的风量控制调整需要精确化。从测试数据分析可以分析，风柜提供的冷量偏大约50KW左右冷量。

（3）精确测定和控制冷冻水的流量与温差，使冷冻水在正常的温差5℃，降低制冷主机和水泵的功耗。

（4）优化调整冷冻水流量与温差、风柜的风量、送风口的流速这些机房空调的关键参数，理论上可以节能30kW左右（冷冻水及水泵节能4～5kW、风柜节能6～8kW、机房能量消耗减少节能20kW）。

4.3 模型的评价与改进

通过对部分机房设施进行简化，保留机架及其布局特征，并以测试的入口温度、风速和机架散热量为边界条件建立CFD模型对机房进行模拟，并将机架前后的实测值和模拟值进行对比，初步证明模拟得到的机房温度场能够较为真实地反映实际情况。从实测和模拟数据都可以看出，机房热环境状况和机房内热源分布，进风口参数与回风口的设置有极大的关系。

（1）在人力物力允许的情况下，增加温度阵观测点的数量，同时记录固定观测点处的温湿度、风速、风向的变化规律，更好地了解机房内部区域热环境分布情况。

（2）模拟中需要进一步细化机架进出风口对热环境的影响作用。模型中的仅考虑了机架壁面的热流量，没有考虑内置风机的影响，直接的后果就是模拟的风场受进风口风量的大小影响很大，机架前后温差与实测机房前后温差相差很大。

（3）模拟采用的数学模型，机房环境模拟采用的是标准κ-ε方程及其改进方程，模拟相当于理论计算，机架周围产生的涡旋绕流以及静风区，能够较为贴近实际的模拟出来，而实际情况中采用简单的方程无法模拟。在运用FLUENT进行计算的时候，进一步考虑机架外部热环境对内部气流组织的影响。

参考文献：

[1]黄赟.通信机房空调设计中的几个问题.通信电源技术，2006，23：62-64.

[2]Don Beaty，Tom Davidson.Datacom Airflow Patterns[J].ASHRAE Journal.2005，（12）：3-4.

[3]R.Jeffrey，J.Yogendra.Modeling of data center airflow and heat transfer：State of the art and future trends.Distrib Parallel Databases.2007，21：193–225.

[4]陶文锉.数值传热学（第2版）.西安：西安交通大学出版社，2001.

[5]费翔麟，胡庆康，等.高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，1983.

[6]林素菊.高大空间分层空调内气流的数值模拟[J].制冷与空调，2005，5（1）：4-6.

[7]汤广发.室内气流数值计算及模型试验[M].长沙：湖南大学出版社，1989.

[8]孙文志.中央空调的变频调速方案及节能机理[J].辽宁师专学报：自然科学版，2004（4）.

[9]简弃非，葳蕤，杨苹，颜永明.通信机房气流组织测试与仿真研究[J].节能技术，2009（4）.

[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint

（2）控制风柜风量的大小、温度，目前风柜的风量控制调整需要精确化。从测试数据分析可以分析，风柜提供的冷量偏大约50KW左右冷量。

（3）精确测定和控制冷冻水的流量与温差，使冷冻水在正常的温差5℃，降低制冷主机和水泵的功耗。

（4）优化调整冷冻水流量与温差、风柜的风量、送风口的流速这些机房空调的关键参数，理论上可以节能30kW左右（冷冻水及水泵节能4～5kW、风柜节能6～8kW、机房能量消耗减少节能20kW）。

4.3 模型的评价与改进

通过对部分机房设施进行简化，保留机架及其布局特征，并以测试的入口温度、风速和机架散热量为边界条件建立CFD模型对机房进行模拟，并将机架前后的实测值和模拟值进行对比，初步证明模拟得到的机房温度场能够较为真实地反映实际情况。从实测和模拟数据都可以看出，机房热环境状况和机房内热源分布，进风口参数与回风口的设置有极大的关系。

（1）在人力物力允许的情况下，增加温度阵观测点的数量，同时记录固定观测点处的温湿度、风速、风向的变化规律，更好地了解机房内部区域热环境分布情况。

（2）模拟中需要进一步细化机架进出风口对热环境的影响作用。模型中的仅考虑了机架壁面的热流量，没有考虑内置风机的影响，直接的后果就是模拟的风场受进风口风量的大小影响很大，机架前后温差与实测机房前后温差相差很大。

（3）模拟采用的数学模型，机房环境模拟采用的是标准κ-ε方程及其改进方程，模拟相当于理论计算，机架周围产生的涡旋绕流以及静风区，能够较为贴近实际的模拟出来，而实际情况中采用简单的方程无法模拟。在运用FLUENT进行计算的时候，进一步考虑机架外部热环境对内部气流组织的影响。

参考文献：

[1]黄赟.通信机房空调设计中的几个问题.通信电源技术，2006，23：62-64.

[2]Don Beaty，Tom Davidson.Datacom Airflow Patterns[J].ASHRAE Journal.2005，（12）：3-4.

[3]R.Jeffrey，J.Yogendra.Modeling of data center airflow and heat transfer：State of the art and future trends.Distrib Parallel Databases.2007，21：193–225.

[4]陶文锉.数值传热学（第2版）.西安：西安交通大学出版社，2001.

[5]费翔麟，胡庆康，等.高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，1983.

[6]林素菊.高大空间分层空调内气流的数值模拟[J].制冷与空调，2005，5（1）：4-6.

[7]汤广发.室内气流数值计算及模型试验[M].长沙：湖南大学出版社，1989.

[8]孙文志.中央空调的变频调速方案及节能机理[J].辽宁师专学报：自然科学版，2004（4）.

[9]简弃非，葳蕤，杨苹，颜永明.通信机房气流组织测试与仿真研究[J].节能技术，2009（4）.

[10]R.K.Sharma，C.E.Bash，C.D.Patel，et.Al，“Balance of power：Dynamic thermal management for internet data centers，” IEEE Internet Computing.2005，9：42-49.endprint