水冷机柜散热系统风道结构设计优化分析

于光义，李钟勇，牛占林

（浪潮电子信息产业有限公司，山东济南 250101）

1 前 言

随着云计算的普及，高密度节点的需求飞速增加，从而对高密度节点散热使用的水冷机柜的需求也相应增加。

涡轮风扇由于前端进风，四周出风的特性，广泛应用于水冷机柜的散热系统，除了要求系统结构紧凑外，对低噪音和高效率提出了更高的要求。因为水冷机柜应用的特殊性，业界对这方面的研究较少，目前对于风扇的研究主要是关于轴流风扇内部流动特性的数值模拟和实验研究[1，2]，以及轴流风扇叶顶间隙或扇叶长度对风扇性能的影响[3，4]；从系统层面对流场进行研究的也较少[5]，对涡轮风扇的研究也主要是考虑风扇内部流场[6]，对多个涡轮风扇组成的风扇系统的研究较少。

本文通过仿真计算及实际测试，在系统风扇性能不变情况下，验证了流道结构变化对整套系统性能的改善情况，为提高风量、降低噪声提供了依据。

2 仿真模型的建立

图1是水冷机柜使用的涡轮风扇，在水冷机柜的设计中采用六个涡轮风扇提供风量，该风扇主要结构和设计参数为：叶轮外径225mm，轮毂直径115mm，叶片数5，进风口直径151mm，最大转速3600r/min，最大风量763cfm。

图1 涡轮风扇

水冷机柜包括风扇系统、水冷盘管、服务器安装机柜等部分，在本文中主要考虑风扇系统结构变化对风量的影响，在仿真分析时对实机进行了适当的简化。由于实验器材测试1500CFM风量的限制，在本文中我们按照风扇1170转时的性能进行仿真计算，并就不同的结构分别建立模型：

（1）风扇不加防回流装置，使风扇另外一边的风通过专门的通道流向服务器；

（2）风扇加防回流装置，使风扇另外一边的风通过专门的通道流向服务器；

（3）风扇加防回流装置，取消风扇之间专门的风道；

（4）风扇加防回流装置，风扇之间完全隔离；

具体结构图如图2。

图2 风扇不同安装结构模型

对整个模型采用hexa unstructured网格进行划分。

3 模拟仿真及仿真数据分析

采用湍流模型进行风扇系统的流场模拟，在给定边界条件时，认为进口为大气条件，给出风扇性能参数。

计算过程中采用相同的参数进行网格划分，迭代次数为200次，并监测速度、压力变化曲线以保证计算结果的可信度。当各计算残差值小于0.001时，认为计算收敛。

从四个模型的仿真数据可以看出，模型一风量为0.5218m3/s，模型二风量为0.6021m3/s，模型三风量为0.6011m3/s；模型四风量为0.6041m3/s。即四种不同结构性能排列为：

结构四＞结构二＞结构三＞结构一。采用不同结构风扇附近流场流速分布如图3～图6所示。

通过模型仿真可以看出，风扇防回流圈可以有效改善系统流场，增加出风量，图7显示了风扇防回流圈对风扇流场的影响，当不增加防回流圈时，风扇的部分出风被进风口抽回，导致系统出风量减少。

图7 风扇防回流圈对流场影响

图8 结构一风扇流场

另外观察风扇周围气流方向，可以看出风扇之间的流场相互影响，风扇之间的隔离较好时，可以有效削弱流场之间的相互影响，提高系统出风量。不同结构时风扇间的流场关系如图8～图11所示。

图9 结构二风扇流场

图10 结构三风扇流场

图11 结构四风扇流场

4 不同结构风扇系统性能实际测试

图12为实际测试的不同安装结构的风扇系统性能曲线。

图12 不同结构下风扇系统性能曲线

从实测数据可以看出，结构一最大风量为676CFM，结构二最大风量为752CFM，结构三最大风量为728CFM，结构四最大风量为824CFM，与结构一相比，采用结构四设计时，系统出风量提高22%。

实测得出不同结构性能关系为：

结构四＞结构二＞结构三＞结构一

实测结果与仿真结果一致。

5 结论

通过对不同结构的流场特性进行数值模拟以及实际测试，可以得出以下结论：

（1）风扇增加防回流圈，可以有效防止出风口气流重新进入风扇入风口，有效增加风扇系统出风口气流量。

（2）涡轮风扇之间有效隔离可以改善流场特性，提高系统出风量。

风扇的回流以及风扇流场间的影响会直接影响风扇系统的流场性能，本文为水冷机柜的结构优化设计提供了一定的理论依据。

[1] 柳品，金英子，王艳萍.小型轴流风扇内部流动特性研究 [J].浙江理工大学学报，2010，27（5）：750-755

[2] 王企鲲，陈康民.微型轴流风扇气动相似特性研究[J].机械工程学报，2010，46（4）：116-121

[3] 王立红，金英子，张立.小型风扇叶顶间隙内部流动数值模拟[J].浙江理工大学学报，2011，28（1）：73-78

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[5] 李剑波，吴克启.空调风扇数值模拟及流道结构的优化 [J].流体机械，2006，34（9）：21-34

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