CFD仿真软件在数据中心气流组织优化中的应用.pdf

仿真软件在数据中心气流组织优化中的应用姚钦锋张春辉高福义吴潇婷许寅冬鄢然何炜吴亭柯张愚（上海市互联网应急中心，上海；上海市信产通信服务有限公司，上海）摘要：近年来，软件被广泛应用于数据中心设计、建设和优化改造之中。本文使用数据中心专业 软件之一的 在试点机房开展了仿真模拟和气流组织优化改造工作。通过对送风量、温度分布、回风路径等多维度的剖面及 展示，辅助工程人员完成了冷热通道隔离和气流组织优化工作，最终实现了少开台空调、空调制冷效率提高、冷热气流混合现象大幅缓解的效果，达到了相关预期。关键词：；气流组织；冷通道隔离；气流混合姚钦锋，男，年生，硕士研究生，工程师高福义（通信作者）上海市浦东新区秀沿西路 号 ：收稿日期：引言 （，计算流体力学）仿真是基于纳维斯托克斯方程（方程）的针对流体流动的数值模拟工具，可以用于描述移动流体的温度、压力、速度和密度，被广泛用于航空、汽车、生物科学、化学、采矿、冶金、环境保护、能源、体育等行业领域。近年来，随着数据中心行业的大规模发展，其在数据中心领域的应用越来越多。数据中心领域的主流 仿真软件有 和 种。前者是英国 开发的专用于数据中心设计与管理电子产品散热分析的 仿 真软件，用以解决数据中心级、机柜级、设备级的散热问题，可以针对数据中心的热管理提供完整的解决方案；后者是美国 ，提供的用于模拟数据中心制冷性能的三维 建模软件工具，可通过参数设置实现图像展现，直观反映数据中心场地环境内的热负荷分布、温度梯度的静态轮廓图和（三维）平面图，呈现数据中心的空气流动模式和温度分布，预测可靠的散热和占地空间的利用率，且几乎适用于现有任何数据中心。结合客观需求，本案使用 软件实施建模仿真。通常数据中心领域 软件应用场景集中在寿命周期的初始阶段，即调研设计勘察阶段，重点对设计方案的运行效果进行预判和仿真评估，极少在寿命周期后期（运维阶段）使用。本案所涉及数据中心已建成并使用了 余年，作者采用 软件用于该数据中心节能改造和气流组织优化工作，取得了非常好的成效。基本原理使用 软件进行数据中心气流组织模拟，一般可以分为前处理、求解、后处理三部分。前处理前处 理 的 目 的 是 将 具 体 的 气 流 组 织 问 题 转 化 为 软件求解器可以接受的形式 计算域和网格。计算域，即 分析的流动区域。本文根据收集到的机房物理尺寸、空调系统相关参数、机房运行状态等数据，确定计算域，构建数学模型。网格，即对计算域划分的单元。采用 网格计算法生成复合型网格，选用机柜作为可计算网格的最小单元。对计算域划分好网格之后，即可确定初始条件和边界条件，确保方程有确定解。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律，包括散热量、送风温度、送风速度、围护结构的边界条件等。求解 采用耦合的计算方法，对地板下和地板上气流进行迭代求解。为确保求解的准确性，本文创造性地引入温湿度校验机制，通过多点温湿度采样辅助校正求解结果。研究中气流组织优化采用的基本方程有 ：动量守恒方程（方程）（）（）（）烍烌烎（）能量守恒方程（）（）（）式（）、（）中为空气密度；、分别为空气在、方向上的速度分量；为运动黏度；为压强；、分别为作用在、方向上的质量力；为热力学温度；为空气传热系数；为比热容；为粘性耗散项。暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷涡粘系数计算式（）式中为经验常数；为湍动能；为湍动耗散率。在湍流方程中，和为个基本未知量，与之对应的离散后的输运方程为（）（）（）（）（）（）（）（）（）式（）、（）中是由平均速度梯度引起的紊流动能产生项，；是由于浮力引起的紊流动能产生项；为可压紊流中脉动扩张项；，为经验常数；，为方程和方程的紊流普朗特数；，为自定义源项。对于我们数据中心而言，式中经验常数取值分别为 ，当流动为不可压，且不考虑自定义源项时，。后处理后处理即对已经计算收敛的结果继续处理，直到得到直观清晰的、便于交流的数据和图表。自带的后处理功能可以直接显示和输出计算结果，生成可视化报告，清晰反映数据中心气流组织优化前后送风量图、温度分布图、回风路径、空调制冷效率等。优化方案优化方案主要分为三部分：使用 对机房现状仿真模拟；对机房优化前现状进行分析；有针对性地开展气流组织路径优化。仿真模拟本文中所有的 仿真模拟分为个环节，即气流组织路径优化前的仿真评估（前仿真）和气流组织路径优化后的仿真评估（后仿真）。前仿真的主要目的是对机房目前运行的环境进行考评，对设备发热、空调运行状态、气流组织、回风效率等进行综合评估，找出存在的问题，并给出合理的优化建议；后仿真的主要目的是核查奇点（热点或冷点）及使用 展示气流组织的路径。仿真软件使用过程中，引入温湿度校验机制，与现场实际环境相结合，从个环节开展具体实施，如图所示。）实地测量现场尺寸和机柜、空调等设备参数；）采集环境空间多点位的温湿度数据（见图）作为软件模拟重要的约束条件，实施建模并计算；）输出 模型图，并多次对模型图进行现场测评、修改，使其符合现场情况；）输出模拟机房内的气流组织效果，给出合理优化建议。优化前现状分析图 仿真流程图图移动式采集工作台可实现单次多点位的数据收集选取 区机房作为试点机房，该机房已使用 余年，机房内设台空调，采用地板下送风、上回风模式，无冷热通道隔离，优化前重点对机房的换热和送风情况进行分析。单位负载对应所需风量计算式为 （）式中为换热量，；为空气流量，；为空气比热容，（）；为机柜进出风温差，。空气流量可以表示为（）式中为通风量，；为空气密度，。综合式（）、（）可得：（）标 准 大气 压 下，的 空 气 比 热 容 约 为 （），空气密度约为 。以机柜进出风温差进行估算，每 负载需要的风量约为 。现场勘查发现，区机房总功率约为 （见表），根据式（）可得，所需风量为 。即使预留 的冗余，所需风量也仅为 ，单台空调送风量按 （转速）计算，台空调总送风量为 ，实际台空调总送风量为 ，远大于实际散热所需风量。表机房各列机柜功率及散热所需风量功率所需风量（）冗余风量（）列 列 列 列 列总计 空调制冷暖通空调 年第 卷增刊 气流组织路径优化根据 节的现状分析，可以判断出现有状态下空调系统制冷效率不高，且存在浪费现象，为此，作了以下优化改造：）完成列、列和列冷热通道封闭隔离；）完成机柜所有空位置盲板安装；）完成可变通风率地板的全部替换；）完成机柜侧边缝隙、所有孔洞的封堵。优化方案完成后，气流组织变化明显，取得了显著的效果。优化前后 模拟结果比较 优化前后送风量对比该机房共有 列共 个服务器机柜，其机房设备布局如图 所示，机柜与机柜之间为开放式通道，采用面对面、背对背的形式排布，冷热通道没有隔离，存在较为严重的冷热气流混合问题。优化后的设备布局如图 所示，冷通道和热通道实现了接近完全的物理隔离，大幅缓解了冷热气流混合情况。如图 所示，优化前虽然总体送风量过剩，却存在较多区域风量不充足（浅色区域）甚至是短缺的情况（深色区域）。优化后，如图 所示，虽然只开台空调，总体风量供应减少，但仅存在处奇点（列上部），此点后期通过增大地板送风率也得到了明显改善。图优化前后机房 示意图及出风地板送风量 优化前后温度对比由于 设备部署位置、功率、送风路径等因素的差异，机房内部温度场分布亦存在不同，笔者使用 软件对多个剖面进行了仿真模拟。本文选取机柜顶部（距地板高度 ）和机柜中部（距地板高度 ）个较为典型的剖面进行模拟研究（剖面距离机柜后端 ）。如图、所示，存在几个现象：）制冷过量，列、列、列之间的通道内最低温度为 ，大部分区域温度在 之间；）冷热气流混合现象较重，无明显界限；）气流旁通情况明显，列个机柜进风温度在 附近，出风温度在 附近。图优化前后机柜顶部高度处（）温度分布对机房优化改造后，再次进行 仿真模拟，在仅开台空调的情况下，其温度分布图如、所示，可以明显看出冷热气流混合现象得到了缓解，冷气流短路情况得到改善，冷区更冷热区更热的现象出现，温度分布更为均匀，热区温度均在 左右。机柜中部（距地板高度 ）的温度分布 模拟结果如图所示，其气流组织流向更为清晰直观，相较于机柜顶部（距地板高度 ）温度分布略有差异。整体而言，优化改造后，机房内冷热气流界线更加清晰，冷热气流混合现象得到改善，温度分布更为合理，局部热点基本消失。图优化前后机柜中部（距地板高度 处）的温度分布 改造后的机房回风路径及空调效率对比改造后机房空调回风路径如图所示。冷气流被限制在通道内，冷通道的温度基本在 之间；冷气流流经 设备，带走 设备的热量后进入热通道，热通道暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷温度在 之间；热气流就近回风至台处于运行中的空调处，回风温度约为 。总体来看，整个回风路径变得更加合理有序，气流相互干扰的情况大幅缓解，气流短路和气流旁通现象基本消失，回风温度接近设定回风温度（），制冷效率得到大幅提高，见表。图关闭台空调后的机房空调回风路径图表优化前后空调效率对比优化前优化后空调运行数量台 空调回风侧温度 机房散热需求风量（）空调机总送风量（）机柜进风温度 制冷效率最低的空调制冷量 制冷效率最高的空调制冷量 空调平均实时制冷量 空调每小时能耗（）结论）机房总体制冷过量问题得到解决，从台空调全开到只开台空调。）机房冷热气流混合现象得到缓解，冷通道变冷热通道变热现象显现。）机房局部热点问题得到解决，气流组织更加合理，设备换热效率大幅提高。）机房空调回风温度得以提高，台空调的回风路径更加科学合理。）机房空调总体能耗大幅下降，节约电能比例超过。参考文献：，：，（），：，（）：，：，：，：，：，：赵磊，李宏鹏长三角地区某数据中心空调系统设计暖通空调，（）：曹渊，沈子奇，陈强数据中心 优化与应用研究上海节能，（）：闫涛，杨欣，秦冰月，等 仿真技术在数据中心机房改造中的应用研究绿色建筑，（）：高福义，张春辉，许寅冬，等数据中心空调系统节能改造数据中心建设，（）：，（）：蒋建云，孟庆礼，彭琳，等基于 模拟数据机房气流组 织 方 案 的 对 比 分 析 安 装，（）：马林泉，李征涛，闫龙超数据中心空调实验室孔板送风气流组织模拟与分析建模与仿真，（）：高福义，姚钦锋，鄢然，等集群控制在数据中心风冷空调中的应用暖通空调，（）：，空调制冷暖通空调 年第 卷增刊