華北某數據中心彌散式送風氣流組織設計CFD模擬分析

谷長城，韓成付，郭 楠，劉 斌，張仁玉

（1.京東科技信息技術有限公司，北京 100176；2.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 項目概況

本項目位于河北省廊坊市，園區占地面積為86 632 m2，規劃建設4棟數據中心機房樓，單體總建筑面積約為31 000 m2，主要包括數據機房、電力電池室、高低壓配電室、制冷站以及柴發機房等，地上4層。首層層高6.8 m，2～4層層高5.4 m，總高度為23.6 m。

數據機房末端空調主要采用房間級冷凍水型機房專用空調，EC風機下沉送風、上回風。設計供水溫度為15 ℃、回水溫度為21 ℃，設備采用N+1冗余備份。機柜采用冷熱通道方式布置，熱通道封閉，機房不設架空地板，空調區設架空地板。處理后的冷空氣通過空調下部靜壓箱彌散送入密閉的機房區通道，形成冷池，機柜內IT設備前端吸入冷空氣降溫后，熱空氣由機柜后端排出至熱通道。機柜背面形成的熱通道與房間吊頂層無縫連接形成熱回風靜壓箱，熱通道內IT設備排出的熱空氣通過回風靜壓箱迅速返回到空調區完成氣流換熱循環。封閉熱通道機房設計平面和剖面如圖1所示。

圖1 機房平面圖和剖面圖

為了指導和驗證設計的科學性和合理性，本項目擬采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬手段，對機房的氣流組織進行模擬分析。機房相關設計參數如表1所示。模擬目標主要是控制回風溫度在37 ℃以下，機房內溫度場合理，無熱量聚集區。

表1 機房主要設計參數

2 模擬分析方法

2.1 應用軟件

本研究采用CFD數值模擬分析方法，計算軟件采用時下流行的PHOENICS 2011版本。PHOENICS可對傳熱和流體進行數值模擬計算分析。

2.2 模型與網格

對建筑風環境進行CFD評價分析的關鍵在于建立合適的建筑幾何模型，合理劃分計算網格。盡量對建筑合理簡化，降低對局部網格劃分的影響，從而保證網格劃分的質量。另外，對計算區域的選擇也十分關鍵。由于風場作用范圍較大，計算區域應選的較大，但過分地增大計算區域會顯著增加計算成本，合理選擇計算區域有助于計算量的降低。

參照暖通設計平面圖進行幾何建模，進行一些必要的簡化，模型如圖2（a）所示。計算區域即為能夠使區域內氣流充分發展的外部空間，采用PHOENICS獨特的網格處理技術（即PARSOL技術），對導入的CAD圖形進行網格劃分，如圖2（b）所示。

圖2 機房模型圖和網格劃分圖

2.3 邊界條件與控制方程

（1）平均風速的指數律分布。目前，國際上多采用經驗的指數分布對此進行描述，我國規范也采用指數分布，計算公式為

式中：UZ為高度Z處的水平風速；U0為參考高度Z0處的風速；m為不同地形粗糙度下的冪指數。根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），本文m取0.3。

（2）出流面邊界條件。出流面出口邊界采用局部單向化處理。

（3）壁面邊界條件。建筑物表面采用壁面函數法進行處理。

（4）控制方程選取。由于建筑內外空氣流動通常為不可壓縮的低速湍流、限制流，故本文采用Realizable k-ε模型對此計算模擬，具有成本較低、預測較準的優點。

對于不可壓縮流動問題，其控制方程主要有以下幾個。

連續性方程為

動量方程為

湍流動能k的方程為

耗散率ε的方程為

3 模擬分析過程

本次模擬分析以送風口高度為變量，分別模擬送風口高度為1.2 m、1.6 m及2.0 m時的風速場和溫度場情況。

3.1 風速模擬分析

3.1.1 高度1.5 m處頂視角風速場

圖3（a）～圖3（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下高度1.5 m處頂視角的風速場。由圖3可知，在機柜通道進口處，3種工況的風速分別為2.39 m/s、2.28 m/s及2.25 m/s，風速差別較小。

圖3 高度1.5 m處頂視角風速場

3.1.2 前視角風速場

圖4（a）～圖4（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下前視角的風速場。由圖4可知，在機柜通道內部，3種工況下的風速區別不大。送風口高度為1.2 m工況下，由于初速度略高、送風高度較低，減少了通道底部低風速區的集聚。

圖4 前視角風速場

3.1.3 熱通道處左視角風速場

圖5（a）～圖5（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下熱通道處左視角的風速場。由圖5可知，在機柜通道內部，3種工況的最高風速分別為3.47 m/s、3.31 m/s、3.27 m/s，風速差別不大。整體流場基本相同，送風口高度為2.0 m工況下的低風速區相對較少。

圖5 熱通道處左視角風速場

3.2 溫度模擬分析

3.2.1 高度1.5 m處頂視角溫度場

圖6（a）～圖6（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下前視角的溫度場。由圖6可知，在此平面機柜內部，局部最高溫度出現在送風口高度為2.0 m時，在45 ℃左右，主要分布在排風側。從溫度場分布來看，送風口高度1.2 m工況時的溫度分布較為均勻，排風側最高溫度點在40 ℃左右，滿足機房運行溫度管理要求。此方案的換熱效果最好，且與類似項目實際運行情況相符。

圖6 高度1.5m處頂視角溫度場

3.2.2 回風口處頂視角溫度場

圖7（a）～圖7（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下回風口處頂視角的溫度場。由圖7可知，3種工況下的回風溫度均低于37 ℃，送風口高度2.0 m工況下的溫度場相對較好。

圖7 回風口處頂視角溫度場

3.2.3 前視角溫度場

圖8（a）～圖8（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下前視角的溫度場。由圖8可知，3種工況的溫度場情況基本相似。

圖8 前視角溫度場

3.2.4 熱通道處左視角溫度場

圖9（a）～圖9（c）分別為送風口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況下熱通道處左視角的溫度場。由圖9可知，3種工況下的回風最高溫度均不高于37 ℃。從溫度場分布情況看，送風口高度1.2 m工況下的溫度分布較為均勻。

圖9 熱通道處左視角溫度場

4 結 論

通過對華北某數據中心采用彌散式送風、熱通道封閉機房的研究，以暖通設計圖紙為依據進行幾何建模，借助CFD技術對其氣流組織進行了模擬，計算分析了彌散式風口在長度不變情況下、送風口高度分別為1.2 m、1.6 m及2.0 m 3種工況時的風速場和溫度場。結果表明：該機房氣流組織設計均勻，室內大部分區域的風速不高于3.47 m/s；機房冷、熱通道內溫度場較為均勻，換熱后機柜內部最高溫度在35～44 ℃，回風溫度在37 ℃以下；3種工況的風速場基本相同；送風口高度2.0 m的工況回風溫度相對略低（原因可能是換熱不夠充分），而送風口高度1.2 m的工況在機架高度溫度分布更為均勻，整體換熱效果在本次模擬中表現更優。