數據機房送回風系統氣流組織改善數值分析

魯　念，　江振興，　于冬冬，　謝軍龍（華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢430074）

數據機房送回風系統氣流組織改善數值分析

魯念，江振興，于冬冬，謝軍龍
（華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢430074）

對標準數據機房的回風天花板高度，送風地板高度，送風地板內部架設擋板對于機房內氣流組織及溫度分布的影響進行CFD模擬。研究結果表明：在冷熱通道未封閉時，回風天花板越高，回風口距離熱通道越遠，機房內部溫度越高。增大地板高度，有利于氣流組織均衡。當地板高度增大到一定程度后，進一步增大高度的作用不再明顯。在送風地板下安裝擋板有利于氣流組織均衡，擋板緊貼地板底部優于擋板緊貼機柜底部。擋板緊貼地板底部時，氣流組織更均衡且達到最優效果需要的高度更低，節省材料。兩種安裝方法，擋板高度均有最優值，高度過高會引起流道阻塞，造成后部機柜風量不足。

數據機房； 數值模擬； 氣流組織； 送風地板

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.016

0　引言

隨著數據機房的單位面積散熱量及熱負荷大幅增長［1］，冷卻效率更高的機房架空地板下送風方式，機架“面對面、背靠背”的“冷熱通道”安裝方式得到廣泛認同［2］。李文禎［3］通過實施熱通道/冷通道設備交替排布提高冷卻效率。Weerts，B.A.Gallaher，D.和Weaver，R［4］通過經濟化過道和應用直接冷卻蒸發系統，使得數據中心的冷卻負載在冬天可以減少90%以上。孫育河［5］介紹了智能冷通道封閉系統的組成及優勢，該系統可改變數據中心環境氣流組織和降低冷通道的溫度梯度，徹底改善數據中心的制冷效果，查貴庭，張勇［6］比較了兩種冷池方案對房間氣流組織分布和房間散熱的影響。王穎［7］通過對比機房內空調氣流組織形式，結合CFD送風模擬結果，驗證了冷池的適用場景。

目前對于冷熱通道的改善，送回風形式對氣流組織影響的研究比較多，對送回風系統內部優化的研究還比較少。本文利用CFD模擬方法，分別對標準數據機房的回風天花板高度，送風地板高度，送風地板內部架設擋板對于機房內氣流組織及溫度分布的影響進行分析。

1　計算方法及模型

本文對常規模塊化高密度數據機房進行模擬。設計功率密度為2kW/m2，機房幾何尺寸為：長×寬×高=20m×10m×3.5m。機柜幾何尺寸為：長×寬×高=1m×0.6 m×2.1 m。機房內共有9列97個機柜。設計機柜“面對面，背靠背”排列，機架前面間距1m，背面間距1.2m。冷通道設在機柜前面，冷風送入架空地板層后，通過孔板風口送入室內。冷風進入機柜換熱后，由吊頂層回風，實現冷熱通道區分，如圖1所示。

圖1　機柜布置示意圖

采用六面體結構化網格對計算區域進行劃分。所有數值模擬計算都采用FLUENT軟件。湍流模型采用標準k-ε模型；運用二階迎風差分格式離散對流項，二階中心差分格式離散擴散項；SIMPLE算法求解方程。

機房熱負荷為388kW，機架發熱量為2600W/m3。根據公式：

式中 qv—風量，m3/s；

Q—機架發熱量，kW；

Cp—空氣比熱容，kJ/kg·K；

ρ—空氣密度，kg/m3；

Δt—機架進出口溫差，℃。

送風溫度為22℃，假設溫差為10℃，送風風量為31.5m3/s，送風口尺寸為5×1.2m×7.8m和1×1m×7.8m，取地板的通風率為50%。回風口設為壓力出口，送風口設為速度入口。

為降低網格數，簡化計算，提高計算效率，將送回風系統分開進行優化模擬。

1.1回風系統模型

對回風天花板高度為2.6m、2.8m、3m，回風口分別布置在熱通道上方和機架正上方的標準數據機房進行三維模擬。送風形式均為冷通道地板均勻送風。圖2為回風口布置在熱通道上方的示意圖。表1為不同方案邊界條件說明。

1.2送風系統模型

對不同送風地板高度、不同擋板高度的送風形式進行二維模擬。回風方式均為熱通道上方回風，天花板高度為3m。擋板位于機架下部，擋板間距和機架寬度相同。

數據中心機房地板的高度決定了地板下靜壓箱的風量，地板高度應由機柜的送風量決定。隨著高密度數據機房的建設，最低地板高度由300mm增至400mm乃至600mm，有的地板高度已經達到了2000mm。發熱量2kW/m2的數據機房，常規地板高度為1000mm［8］。以200mm為模型差異，分別模擬了0.6～1.6m地板高度的氣流組織分布。

表1　邊界條件

圖2　回風口布置在熱通道上方示意圖

架設擋板可以打亂來流，促進壓力平衡。由于擋板高度收到地板高度的限制，本文取地板高度為常規的1000mm，以100mm為模型差異，分別模擬了擋板高度相等，0.1～0.9m擋板高度氣流組織分布。

圖2　擋板貼地板送風系統示意圖

2　數值模擬結果分析

2.1回風系統

截取機房有代表性的幾個截面，觀察機房內部溫度場的分布情況。圖4為天花板高度3m，回風口在熱通道上方的特征截面處溫度云圖。溫度均在22～32℃區間內，溫度分布合理。

圖4　方案5特征截面處溫度云圖

表2　不同回風方案特征截面溫度

表2為不同方案，Y=1.75m特征截面的平均溫度。由于冷熱通道未封閉，回風天花板越高，冷空氣越有可能越過機柜頂部直接回流。回風口距離熱通道越遠，離冷通道越近，冷空氣越有可能越過機柜頂部直接回流。

2.2送風地板高度

圖5為不同地板高度下，機柜送風口模擬風量與總風量的比值。可以看出，增大送風地板高度對于調節后部機柜處風量有較大影響。當地板高度需增大1.4m時，對于前部機柜有較明顯影響，風量分布基本符合設計要求。當地板高度增大到一定程度，再增大地板高度，對于氣流組織發揮的作用不再明顯。

圖5　地板高度對風量分配影響

2.3擋板形式及高度

圖6為擋板緊貼機柜下方時擋板高度對流量分配影響。當擋板緊貼機柜下方時，隨著擋板高度增大，前部機柜的流量分布趨向均衡，但大部分風量都集中到了機柜后部。在增大至0.5m（地板高度一半）前，后部機柜流量和設計流量的偏差隨擋板高度增大而增大。增大至0.5m后，后部機柜流量和設計流量的偏差隨擋板高度增大而減小。擋板高度為0.8m時，流量分配效果較好。總體來看，該擋板形式對于調整后部機柜處流量，效果較差，且需要有較高的擋板高度。

圖7為擋板緊貼地板底部時擋板高度對風量分配影響。當擋板緊貼地板底部時，隨著擋板高度增大，機柜的風量分布趨向均衡，在0.1m、0.2m處有較好的風量分配。在擋板高度增大至0.5m后，進一步增大擋板高度，對均衡風量的影響不大。且增大至0.7m后，由于機柜前部入口處速度過大，機柜后部幾乎無風量分配。該擋板形式，可以選用較上一種形式更低的擋板高度。

3　結語

地板下送風形式在大型數據機房中已有廣泛應用，本文對下送風、上回風、冷熱通道排布的標準數據機房的送回風系統內部形式進行了研究。運用CFD模擬，對標準數據機房的回風天花板高度，送風地板高度，送風地板內部架設擋板對于機房內氣流組織及溫度分布的影響進行分析。研究結果表明：

圖6　擋板緊貼機柜下方時不同高度對流量分配影響

圖7　擋板緊貼地板底部時不同高度對風量分配影響

（1）在冷熱通道未封閉時，回風天花板越高，回風口距離熱通道越遠，離冷通道越近，冷空氣越有可能越過機柜頂部直接回流，影響機房內部溫度分布。

（2）增大送風地板高度對于調節后部機柜處風量有較大影響。在一定范圍內，增大地板高度，有利于氣流組織均衡。當地板高度增大到一定程度，本文是1.4m后，再增大地板高度，對于氣流組織發揮的作用不再明顯。

（3）在送風地板下安裝擋板有利于氣流組織均衡。安裝方式上，擋板緊貼地板底部優于擋板緊貼機柜底部。擋板緊貼地板底部時，氣流組織更均衡且達到最優效果需要的高度更低，節省材料。兩種安裝方法，擋板高度均有最優值，高度過高會引起流道阻塞，造成后部機柜風量不足。

［1］Schmidt R，Karki K，Patankar S.Raised-floor data center：perforated tile flow rates for various tile layouts［C］.2004.

［2］高彩鳳，于震，吳劍林.典型數據機房熱環境分析及氣流組織優化［Z］. 2013，43，101～106.

［3］李文禎.高密度服務器機房冷卻策略與實現［J］.廣東科技.2010，19 （8）：73，74.

［4］Weerts B A，Gallaher D，Weaver R，et al.Green Data Center Cooling：Achieving 90%Reduction：Airside Economization and Unique Indirect Evaporative Cooling［C］.Tulsa，OK：2012.

［5］孫育河.智能冷通道封閉系統對數據中心PUE的影響分析［J］.電信技術，2012，（11）：36～38.

［6］查貴庭，張勇，李新權.冷池技術讓數據中心更環保［J］.中國教育網絡，2012，（10）：57，58.

［7］王穎.模塊化冷池在數據中心的研究與運用［J］.建筑熱能通風空調，2012，31（4）：70～72.

［8］數據中心機房空氣調節系統的設計與運行維護［M］.2009：199.

Improvement and Numerical Analysis on the Airflow Distribution of Air Distribution System in Data Center

LU Nian， JIANG Zhen-xing， YU Dong-dong， XIE Jun-long
（School of Energy and Power Engineering of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

CFD software was used to simulate the airflow distribution of standard data center when the height of roof，height of raised floor and the style of underfloor baffle changed.The results demonstrates that with higher roof，data center would be hotter when hot aisle not closed。Higher raised floor makes a significant difference in improving the underfloor airflow distribution.When the height goes up to some extent，the role of further increase in height is no longer obvious.Underfloor baffle could help improve the underfloor air distribution，baffle cling to the floor is better than cling to the rack.The way that baffle cling to the floor requires smaller height to achieve better airflow distribution.In both of the two ways，the baffle height has the optimal value.When it is too high，it may block the port，the back of racks can not get enough air volume.

data center； numerical simulation； airflow distribution； underfloor air distribution

TU831

B

2095-3429（2015）01-0060-04

魯念（1990-），女，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事室內氣流組織、制冷優化方面的研究。

2015-01-09

2015-03-18