海底數據中心的散熱優化設計

桓榮雨

編者按：受“大數據”及“互聯網+”熱潮以及國內政策因素驅動的影響，全球數據中心行業都呈高速增長態勢。近年來提出了“海底數據中心項目（Project UDC）”，通過將服務器等設施安裝在具有先進冷卻功能的海底密閉的壓力容器中，通過與海水進行熱交換，利用巨量流動海水對其散熱，大大節約了土地資源、水資源等。

這篇文章研究了大體積的集裝箱外殼放入海底會引起水壓場的變化。通過熵權TOPSIS法分析評價幾種較為合適的材料，最后選擇了鋁合金5052。通過應用面元法計算海底數據集裝箱在不同深度中引起的壓力場變化，對水壓進行定量分析，為了避免水下生物撞擊引起集裝箱外殼損壞，同時也研究了其耐壓結構。由于實際條件的限制，作者通過有限元仿真軟件MARC對外殼承受的壓力進行仿真分析，最終得到優化后的深度。

問題重述

據統計，全球數據中心每年消耗的電量，占全球總電量的2%左右，而其中能源消耗的成本占整個IT行業的30%-50%，特別是電子器件散熱所需消耗的能量占比極大。

目前，國內大數據中心主要建設在內陸地區，但大數據中心建設在陸地上需要占用大量土地，冷卻時需要消耗大量的電能和冷卻水資源，并花費大量建設成本。由于沿海發達省市數據中心增長迅猛，類似的資源矛盾尤為突出。

問題1：固體在液體中的冷卻的方式主要是對流傳熱，對流傳熱可分為自然對流和強制對流。假定數據中心集裝箱的尺寸為直徑1m，長12m的圓柱形，懸空放置（圓柱形軸線與海平面平行）在中國南海溫度為20攝氏度的海域深度，其中單個1U服務器的產熱為500W（正常工作溫度不能超過80攝氏度），1U服務器機箱的高度為44.45毫米，寬度為482.6毫米，長度為525毫米，請評估單個集裝箱外殼中最多可以放多少個服務器（僅考慮服務器的散熱需求）。

問題2：假定集裝箱外殼最大尺寸不超過1m×1m×12m，結合第一問的分析，如何設計集裝箱外殼的結構（如在圓柱體，長方體等上考慮翅片結構），可以實現最大化的散熱效果，即存放更多的服務器。

問題3：較深的海水具有較低的溫度，能取得更好的散熱效果，同時增大的壓力會對集裝箱外殼的耐壓能力提出更高的要求;值得注意的是海水本身是一種強的腐蝕介質，直接與海水接觸的各種金屬結構物都不可避免地受到海水的腐蝕。需進一步選擇合適的材料和海底深度進行優化設計，進一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限。

模型假設

（1）現實中集裝箱中的流體流動時會受到阻力。為了方便計算，我們假定模型中的集裝箱絕對平滑，而忽略了阻力對流體流速的影響。

（2）集裝箱內服務器產生的熱量能通過外殼，整體均勻地被海水完全吸收和帶走。

（3）流動的海水在集裝箱附近沒有回旋，即流向集裝箱的海水以垂直于圓柱體高線的方向均勻流動，且海水的溫度恒定為20 ℃。

（4）每一臺服務器都正常運行，且穩定產熱500 W。

（5）流經海水的密度和比熱容整體不變。

符號說明

本文中用到關鍵數學符號如表1所示。

模型的建立與求解

問題3的建模與求解

（1）問題分析

問題3要求在問題2設計的集裝箱外殼翅片結構的基礎上，進一步綜合各類參數，包括材料彈性模量、屈服強度、抗壓強度、密度等屬性，考慮價格、海底復雜的自然環境、自然災害等因素，優化集裝箱的外殼材料。為此我們可以考慮采用熵權TOPSIS法來進行研究。同時綜合考慮集裝箱外殼的抗壓能力、散熱性能、制造和維護成本、使用年限，進一步優化數據中心集裝箱的工作深度。為此我們可以考慮利用面元法計算海底數據中心集裝箱在不同深度海水中引起的壓力分布，基于受力分析對集裝箱外殼進行作用力分析，同時考慮在一定材料、一定結構基礎上設計的集裝箱外殼所能承受的壓力限度，對其承受的水壓進行定性分析，從而優化設計集裝箱深度。共分兩步進行。

（2）問題求解

我們在選擇數據中心集裝箱外殼材料的時候，需要綜合考慮多方面的因素。材質的密度、彈性模量、屈服強度、電位、價格、是否耐腐蝕，甚至不同金屬間可能存在的相互作用都是材料選擇時需要考量的因素。首先，對于主體材料的選擇我們排除掉貴金屬，因為價格過于高昂，超出制造成本。然后，剔除掉強度不夠的復合材料。然后通過熵權法對其進行研究。

熵權TOPSIS法是一種客觀賦權方法，其根據各指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權，再通過熵權對各指標的權重進行修正，從而得出較為客觀的指標權重。在綜合評價中所起的作用越大，權重就越高。其評價結果主要依靠客觀資料，幾乎不受主觀因素影響，可以在很大程度上避免人為因素的干擾。具體數據見表2—表6。

對于材料的選擇，鈦合金雖然可以達到極佳的性能、并且抗腐蝕性優異，但是由于高昂的造價并不適用于容器的制作;復合材料在目前備受關注，并且它也具有極強的抗腐蝕性以及相對優異的成本優勢，但是它并不能承受過大的水壓，因此無法被使用。最終選擇使用鋁合金Aluminum alloy 5052作為容器的制作材料，為了防止容器的腐蝕，其表面做了大量的涂層以避免與海水的直接接觸;并且為了防止由于涂層脫落導致腐蝕的發生，還采用了陰極保護的手法，之所以選擇鋅是因為它不會對海洋環境造成破壞。

大體積高質量的海底數據中心集裝箱放入海水中會引起水壓場的變化，對此我們通過面元法計算海底數據中心集裝箱在不同深度海水中引起的壓力分布，同時通過計算流體力學的方法對流場進行數值模擬，研究水壓場的分布特征。同時我們注意到，在深海環境中，耐壓外殼所受靜水壓力大，一旦受到海洋生物或者人類活動沖擊，將十分危險。這也是影響數據中心集裝箱正常工作的一大因素，我們同時將通過有限元仿真技術，對此進行集裝箱外殼圓柱體耐壓結構研究，匹配最適深度。

由于深水環境中，靜水壓力過大，所以在優化設計集裝箱深度時，還要考慮到集裝箱外殼遭受沖擊后所引發的后果。由于現實試驗數據的缺乏，以及海底環境過于復雜，影響因素眾多，不利于進行數值計算，所以通過深海仿真模擬的方法來進行研究。采用有限元仿真軟件MARC進行仿真分析。根據陳煒然的研究成果，受深水壓力影響，水下集裝箱外殼的防撞性隨著撞擊水深的增加而下降。因此考慮深海環境中的防撞因素是十分有必要的。數據中心集裝箱外殼各項參量參數見表7，其受力測試結果曲線圖見圖1。

通過圖1我們可以得知集裝箱外殼不同受力點的受力極值，通過對相關參量與力學能量轉換的計算，得出了水下數據中心集裝箱外殼的受力極值。

裝有服務器的數據中心入水時，需要重力配載入水，首先由于流體的阻力與入水時的速度質量成正比，下放過程中，集裝箱外殼會受到較大阻力影響，能否在一定限度上減小流水阻力對集裝箱外殼的不利影響也十分重要。隨著入水深度的增加，靜水壓線性也會顯著增加。在此基礎上，我們針對深度優化問題，進行下一步的研究。

海水的深度變化所帶來的壓力變化，對海底數據中心系統的耐壓和密封性都提出了更高的要求。并且，隨著海水深度的增加，而系統內部壓力過低，易造成集裝箱內外海水難以正常交換，會影響服務器的正常散熱。

查閱資料，了解到中國海域的深度與壓力比照表。比對各深度海水壓力與集裝箱外殼和各取點的受力極限，深度為270米為優化后的最適深度。

參考文獻：

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