数据机房送回风系统气流组织改善数值分析

鲁　念，　江振兴，　于冬冬，　谢军龙（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074）

数据机房送回风系统气流组织改善数值分析

鲁念，江振兴，于冬冬，谢军龙
（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074）

对标准数据机房的回风天花板高度，送风地板高度，送风地板内部架设挡板对于机房内气流组织及温度分布的影响进行CFD模拟。研究结果表明：在冷热通道未封闭时，回风天花板越高，回风口距离热通道越远，机房内部温度越高。增大地板高度，有利于气流组织均衡。当地板高度增大到一定程度后，进一步增大高度的作用不再明显。在送风地板下安装挡板有利于气流组织均衡，挡板紧贴地板底部优于挡板紧贴机柜底部。挡板紧贴地板底部时，气流组织更均衡且达到最优效果需要的高度更低，节省材料。两种安装方法，挡板高度均有最优值，高度过高会引起流道阻塞，造成后部机柜风量不足。

数据机房； 数值模拟； 气流组织； 送风地板

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.016

0　引言

随着数据机房的单位面积散热量及热负荷大幅增长［1］，冷却效率更高的机房架空地板下送风方式，机架“面对面、背靠背”的“冷热通道”安装方式得到广泛认同［2］。李文祯［3］通过实施热通道/冷通道设备交替排布提高冷却效率。Weerts，B.A.Gallaher，D.和Weaver，R［4］通过经济化过道和应用直接冷却蒸发系统，使得数据中心的冷却负载在冬天可以减少90%以上。孙育河［5］介绍了智能冷通道封闭系统的组成及优势，该系统可改变数据中心环境气流组织和降低冷通道的温度梯度，彻底改善数据中心的制冷效果，查贵庭，张勇［6］比较了两种冷池方案对房间气流组织分布和房间散热的影响。王颖［7］通过对比机房内空调气流组织形式，结合CFD送风模拟结果，验证了冷池的适用场景。

目前对于冷热通道的改善，送回风形式对气流组织影响的研究比较多，对送回风系统内部优化的研究还比较少。本文利用CFD模拟方法，分别对标准数据机房的回风天花板高度，送风地板高度，送风地板内部架设挡板对于机房内气流组织及温度分布的影响进行分析。

1　计算方法及模型

本文对常规模块化高密度数据机房进行模拟。设计功率密度为2kW/m2，机房几何尺寸为：长×宽×高=20m×10m×3.5m。机柜几何尺寸为：长×宽×高=1m×0.6 m×2.1 m。机房内共有9列97个机柜。设计机柜“面对面，背靠背”排列，机架前面间距1m，背面间距1.2m。冷通道设在机柜前面，冷风送入架空地板层后，通过孔板风口送入室内。冷风进入机柜换热后，由吊顶层回风，实现冷热通道区分，如图1所示。

图1　机柜布置示意图

采用六面体结构化网格对计算区域进行划分。所有数值模拟计算都采用FLUENT软件。湍流模型采用标准k-ε模型；运用二阶迎风差分格式离散对流项，二阶中心差分格式离散扩散项；SIMPLE算法求解方程。

机房热负荷为388kW，机架发热量为2600W/m3。根据公式：

式中 qv—风量，m3/s；

Q—机架发热量，kW；

Cp—空气比热容，kJ/kg·K；

ρ—空气密度，kg/m3；

Δt—机架进出口温差，℃。

送风温度为22℃，假设温差为10℃，送风风量为31.5m3/s，送风口尺寸为5×1.2m×7.8m和1×1m×7.8m，取地板的通风率为50%。回风口设为压力出口，送风口设为速度入口。

为降低网格数，简化计算，提高计算效率，将送回风系统分开进行优化模拟。

1.1回风系统模型

对回风天花板高度为2.6m、2.8m、3m，回风口分别布置在热通道上方和机架正上方的标准数据机房进行三维模拟。送风形式均为冷通道地板均匀送风。图2为回风口布置在热通道上方的示意图。表1为不同方案边界条件说明。

1.2送风系统模型

对不同送风地板高度、不同挡板高度的送风形式进行二维模拟。回风方式均为热通道上方回风，天花板高度为3m。挡板位于机架下部，挡板间距和机架宽度相同。

数据中心机房地板的高度决定了地板下静压箱的风量，地板高度应由机柜的送风量决定。随着高密度数据机房的建设，最低地板高度由300mm增至400mm乃至600mm，有的地板高度已经达到了2000mm。发热量2kW/m2的数据机房，常规地板高度为1000mm［8］。以200mm为模型差异，分别模拟了0.6～1.6m地板高度的气流组织分布。

表1　边界条件

图2　回风口布置在热通道上方示意图

架设挡板可以打乱来流，促进压力平衡。由于挡板高度收到地板高度的限制，本文取地板高度为常规的1000mm，以100mm为模型差异，分别模拟了挡板高度相等，0.1～0.9m挡板高度气流组织分布。

图2　挡板贴地板送风系统示意图

2　数值模拟结果分析

2.1回风系统

截取机房有代表性的几个截面，观察机房内部温度场的分布情况。图4为天花板高度3m，回风口在热通道上方的特征截面处温度云图。温度均在22～32℃区间内，温度分布合理。

图4　方案5特征截面处温度云图

表2　不同回风方案特征截面温度

表2为不同方案，Y=1.75m特征截面的平均温度。由于冷热通道未封闭，回风天花板越高，冷空气越有可能越过机柜顶部直接回流。回风口距离热通道越远，离冷通道越近，冷空气越有可能越过机柜顶部直接回流。

2.2送风地板高度

图5为不同地板高度下，机柜送风口模拟风量与总风量的比值。可以看出，增大送风地板高度对于调节后部机柜处风量有较大影响。当地板高度需增大1.4m时，对于前部机柜有较明显影响，风量分布基本符合设计要求。当地板高度增大到一定程度，再增大地板高度，对于气流组织发挥的作用不再明显。

图5　地板高度对风量分配影响

2.3挡板形式及高度

图6为挡板紧贴机柜下方时挡板高度对流量分配影响。当挡板紧贴机柜下方时，随着挡板高度增大，前部机柜的流量分布趋向均衡，但大部分风量都集中到了机柜后部。在增大至0.5m（地板高度一半）前，后部机柜流量和设计流量的偏差随挡板高度增大而增大。增大至0.5m后，后部机柜流量和设计流量的偏差随挡板高度增大而减小。挡板高度为0.8m时，流量分配效果较好。总体来看，该挡板形式对于调整后部机柜处流量，效果较差，且需要有较高的挡板高度。

图7为挡板紧贴地板底部时挡板高度对风量分配影响。当挡板紧贴地板底部时，随着挡板高度增大，机柜的风量分布趋向均衡，在0.1m、0.2m处有较好的风量分配。在挡板高度增大至0.5m后，进一步增大挡板高度，对均衡风量的影响不大。且增大至0.7m后，由于机柜前部入口处速度过大，机柜后部几乎无风量分配。该挡板形式，可以选用较上一种形式更低的挡板高度。

3　结语

地板下送风形式在大型数据机房中已有广泛应用，本文对下送风、上回风、冷热通道排布的标准数据机房的送回风系统内部形式进行了研究。运用CFD模拟，对标准数据机房的回风天花板高度，送风地板高度，送风地板内部架设挡板对于机房内气流组织及温度分布的影响进行分析。研究结果表明：

图6　挡板紧贴机柜下方时不同高度对流量分配影响

图7　挡板紧贴地板底部时不同高度对风量分配影响

（1）在冷热通道未封闭时，回风天花板越高，回风口距离热通道越远，离冷通道越近，冷空气越有可能越过机柜顶部直接回流，影响机房内部温度分布。

（2）增大送风地板高度对于调节后部机柜处风量有较大影响。在一定范围内，增大地板高度，有利于气流组织均衡。当地板高度增大到一定程度，本文是1.4m后，再增大地板高度，对于气流组织发挥的作用不再明显。

（3）在送风地板下安装挡板有利于气流组织均衡。安装方式上，挡板紧贴地板底部优于挡板紧贴机柜底部。挡板紧贴地板底部时，气流组织更均衡且达到最优效果需要的高度更低，节省材料。两种安装方法，挡板高度均有最优值，高度过高会引起流道阻塞，造成后部机柜风量不足。

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

［2］高彩凤，于震，吴剑林.典型数据机房热环境分析及气流组织优化［Z］. 2013，43，101～106.

［3］李文祯.高密度服务器机房冷却策略与实现［J］.广东科技.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］孙育河.智能冷通道封闭系统对数据中心PUE的影响分析［J］.电信技术，2012，（11）：36～38.

［6］查贵庭，张勇，李新权.冷池技术让数据中心更环保［J］.中国教育网络，2012，（10）：57，58.

［7］王颖.模块化冷池在数据中心的研究与运用［J］.建筑热能通风空调，2012，31（4）：70～72.

［8］数据中心机房空气调节系统的设计与运行维护［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

鲁念（1990-），女，湖北黄石人，硕士研究生，主要从事室内气流组织、制冷优化方面的研究。

2015-01-09

2015-03-18