海底数据中心的散热优化设计

桓荣雨

编者按：受“大数据”及“互联网+”热潮以及国内政策因素驱动的影响，全球数据中心行业都呈高速增长态势。近年来提出了“海底数据中心项目（Project UDC）”，通过将服务器等设施安装在具有先进冷却功能的海底密闭的压力容器中，通过与海水进行热交换，利用巨量流动海水对其散热，大大节约了土地资源、水资源等。

这篇文章研究了大体积的集装箱外壳放入海底会引起水压场的变化。通过熵权TOPSIS法分析评价几种较为合适的材料，最后选择了铝合金5052。通过应用面元法计算海底数据集装箱在不同深度中引起的压力场变化，对水压进行定量分析，为了避免水下生物撞击引起集装箱外壳损坏，同时也研究了其耐压结构。由于实际条件的限制，作者通过有限元仿真软件MARC对外壳承受的压力进行仿真分析，最终得到优化后的深度。

问题重述

据统计，全球数据中心每年消耗的电量，占全球总电量的2%左右，而其中能源消耗的成本占整个IT行业的30%-50%，特别是电子器件散热所需消耗的能量占比极大。

目前，国内大数据中心主要建设在内陆地区，但大数据中心建设在陆地上需要占用大量土地，冷却时需要消耗大量的电能和冷却水资源，并花费大量建设成本。由于沿海发达省市数据中心增长迅猛，类似的资源矛盾尤为突出。

问题1：固体在液体中的冷却的方式主要是对流传热，对流传热可分为自然对流和强制对流。假定数据中心集装箱的尺寸为直径1m，长12m的圆柱形，悬空放置（圆柱形轴线与海平面平行）在中国南海温度为20摄氏度的海域深度，其中单个1U服务器的产热为500W（正常工作温度不能超过80摄氏度），1U服务器机箱的高度为44.45毫米，宽度为482.6毫米，长度为525毫米，请评估单个集装箱外壳中最多可以放多少个服务器（仅考虑服务器的散热需求）。

问题2：假定集装箱外壳最大尺寸不超过1m×1m×12m，结合第一问的分析，如何设计集装箱外壳的结构（如在圆柱体，长方体等上考虑翅片结构），可以实现最大化的散热效果，即存放更多的服务器。

问题3：较深的海水具有较低的温度，能取得更好的散热效果，同时增大的压力会对集装箱外壳的耐压能力提出更高的要求;值得注意的是海水本身是一种强的腐蚀介质，直接与海水接触的各种金属结构物都不可避免地受到海水的腐蚀。需进一步选择合适的材料和海底深度进行优化设计，进一步提高散热效果，并尽可能降低成本，提高使用年限。

模型假设

（1）现实中集装箱中的流体流动时会受到阻力。为了方便计算，我们假定模型中的集装箱绝对平滑，而忽略了阻力对流体流速的影响。

（2）集装箱内服务器产生的热量能通过外壳，整体均匀地被海水完全吸收和带走。

（3）流动的海水在集装箱附近没有回旋，即流向集装箱的海水以垂直于圆柱体高线的方向均匀流动，且海水的温度恒定为20 ℃。

（4）每一台服务器都正常运行，且稳定产热500 W。

（5）流经海水的密度和比热容整体不变。

符号说明

本文中用到关键数学符号如表1所示。

模型的建立与求解

问题3的建模与求解

（1）问题分析

问题3要求在问题2设计的集装箱外壳翅片结构的基础上，进一步综合各类参数，包括材料弹性模量、屈服强度、抗压强度、密度等属性，考虑价格、海底复杂的自然环境、自然灾害等因素，优化集装箱的外壳材料。为此我们可以考虑采用熵权TOPSIS法来进行研究。同时综合考虑集装箱外壳的抗压能力、散热性能、制造和维护成本、使用年限，进一步优化数据中心集装箱的工作深度。为此我们可以考虑利用面元法计算海底数据中心集装箱在不同深度海水中引起的压力分布，基于受力分析对集装箱外壳进行作用力分析，同时考虑在一定材料、一定结构基础上设计的集装箱外壳所能承受的压力限度，对其承受的水压进行定性分析，从而优化设计集装箱深度。共分两步进行。

（2）问题求解

我们在选择数据中心集装箱外壳材料的时候，需要综合考虑多方面的因素。材质的密度、弹性模量、屈服强度、电位、价格、是否耐腐蚀，甚至不同金属间可能存在的相互作用都是材料选择时需要考量的因素。首先，对于主体材料的选择我们排除掉贵金属，因为价格过于高昂，超出制造成本。然后，剔除掉强度不够的复合材料。然后通过熵权法对其进行研究。

熵权TOPSIS法是一种客观赋权方法，其根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，再通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得出较为客观的指标权重。在综合评价中所起的作用越大，权重就越高。其评价结果主要依靠客观资料，几乎不受主观因素影响，可以在很大程度上避免人为因素的干扰。具体数据见表2—表6。

对于材料的选择，钛合金虽然可以达到极佳的性能、并且抗腐蚀性优异，但是由于高昂的造价并不适用于容器的制作;复合材料在目前备受关注，并且它也具有极强的抗腐蚀性以及相对优异的成本优势，但是它并不能承受过大的水压，因此无法被使用。最终选择使用铝合金Aluminum alloy 5052作为容器的制作材料，为了防止容器的腐蚀，其表面做了大量的涂层以避免与海水的直接接触;并且为了防止由于涂层脱落导致腐蚀的发生，还采用了阴极保护的手法，之所以选择锌是因为它不会对海洋环境造成破坏。

大体积高质量的海底数据中心集装箱放入海水中会引起水压场的变化，对此我们通过面元法计算海底数据中心集装箱在不同深度海水中引起的压力分布，同时通过计算流体力学的方法对流场进行数值模拟，研究水压场的分布特征。同时我们注意到，在深海環境中，耐压外壳所受静水压力大，一旦受到海洋生物或者人类活动冲击，将十分危险。这也是影响数据中心集装箱正常工作的一大因素，我们同时将通过有限元仿真技术，对此进行集装箱外壳圆柱体耐压结构研究，匹配最适深度。

由于深水环境中，静水压力过大，所以在优化设计集装箱深度时，还要考虑到集装箱外壳遭受冲击后所引发的后果。由于现实试验数据的缺乏，以及海底环境过于复杂，影响因素众多，不利于进行数值计算，所以通过深海仿真模拟的方法来进行研究。采用有限元仿真软件MARC进行仿真分析。根据陈炜然的研究成果，受深水压力影响，水下集装箱外壳的防撞性随着撞击水深的增加而下降。因此考虑深海环境中的防撞因素是十分有必要的。数据中心集装箱外壳各项参量参数见表7，其受力测试结果曲线图见图1。

通过图1我们可以得知集装箱外壳不同受力点的受力极值，通过对相关参量与力学能量转换的计算，得出了水下数据中心集装箱外壳的受力极值。

装有服务器的数据中心入水时，需要重力配载入水，首先由于流体的阻力与入水时的速度质量成正比，下放过程中，集装箱外壳会受到较大阻力影响，能否在一定限度上减小流水阻力对集装箱外壳的不利影响也十分重要。随着入水深度的增加，静水压线性也会显著增加。在此基础上，我们针对深度优化问题，进行下一步的研究。

海水的深度变化所带来的压力变化，对海底数据中心系统的耐压和密封性都提出了更高的要求。并且，随着海水深度的增加，而系统内部压力过低，易造成集装箱内外海水难以正常交换，会影响服务器的正常散热。

查阅资料，了解到中国海域的深度与压力比照表。比对各深度海水压力与集装箱外壳和各取点的受力极限，深度为270米为优化后的最适深度。

参考文献：

[1]李昂，王岳，陶然.傅里叶热传导方程和牛顿冷却定律在流体热学研究中的数学模型应用[J].工业技术创新，2016，03（03）：498-502.

[2]谭盛钰. 换热器及螺线管中环形单元与排列的自然对流数值研究[D].中国科学院大学（中国科学院大学工程科学学院），2020.

[3]刘章. 基于高热流密度数据中心水冷的仿真模拟与实验研究[D].天津商业大学，2019.