数据机房冷通道气流组织改善数值模拟研究

范昕杰;刘金祥;陈晓春;徐稳龙

【摘 要】针对数据机房大风量高风速在冷通道内引起的气流不匀现象,本文通过CFD数值模拟方法,分析了架空地板高度、送风孔板的孔隙率、竖直挡板三者对冷通道内气流环境的影响.分析结果显示,孔板孔隙率对机柜的温度及进风量影响甚微;架空地板高度存在积极的作用,但是当高度增加一定程度时作用不再显著;竖直挡板被证明是一种较好的气流组织改善形式,其原因在于它对水平气流的衰减和对高温度百分比的遏制有着前两者不可比拟的作用.

【期刊名称】《建筑热能通风空调》

【年(卷),期】2013(032)003

【总页数】5页(P66-70)

【关键词】数据机房;数值模拟;气流组织;冷热通道

【作 者】范昕杰;刘金祥;陈晓春;徐稳龙

【作者单位】南京工业大学城市建设与安全工程学院;中国建筑设计研究院;南京工业大学城市建设与安全工程学院;中国建筑设计研究院;中国建筑设计研究院

【正文语种】中 文

0 引言

当前如何改善数据机房内气流组织成为了一个热门课题。在此类研究中，国内外学者主要采用日臻完善的CFD数值模拟技术来分析数据机房及设备内部的气流组织和温度分布[1～4]。在研究气流输配方式对机房环境的影响上，已有文献主要从架空地板高度[2]、送风开孔面积[3]、机架排列方式[4]等方面着手展开研究。如今数据机房向着大型化发展，地板送风与封闭的冷热通道作为行之有效的气流输配形式，已经被广泛应用于设计当中。虽然机房气流组织已经有了大量的研究，但是在冷热通道的研究上还不够完善。冷热通道内的气流形式最直接影响着机柜散热的好坏。本文着眼于这一典型机房形式，从架空地板高度、地板下架设竖直挡板这两方面入手，对机房冷通道内气流不良现象进行分析，研究这两者所带来的影响。

1 计算方法及模型

1.1 计算方法

本文中所有数值模拟计算都采用FLUENT v6.3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。

模拟过程作如下假设：1）室内气体低速流动，视为不可压缩流体，忽略由流体粘性

力做功所引起的耗散热；2）流动为稳态湍流；3）满足 Boussinesq假设，认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响。

针对计算中孔板处理的难点问题，本模拟中将送风孔板的边界条件设置为多孔跳跃介质，不考虑孔板的厚度，只设置一定的孔隙率与阻力系数。对于机柜以及架空地板设置为绝热壁面条件，不考虑其传热的影响。

1.2 模型

物理模型如图1中所示，整个模型由送回风口、架空地板、数据机柜以及冷通道组成。模型整体尺寸为：13m×7.6m×3.6m；冷通道顶面及两侧封闭，尺寸为9m×1.2m×2.2m；通道两侧布置数据机柜（15个×2），单个机架尺寸：1.2m×0.6m×1.8m，发热量 5kW/rack，总发热量150kW；送风口大小7.6m×0.5m，总送风量11.4m3/s，送风温度17℃，假设换热温差Δt为10℃。回风口设在送风口同侧上方，大小7.6m×0.9m。机房所需的冷风由侧面经架空地板下送，整个气流组织形式为下送上回。其中右图绿色区域全部布置送风孔板，编号为1的孔板和机柜最靠近送风口，编号15的则位于最远端。

图1 数据机房模型

2 原模型的分析

Schmidt[5]在对地板送风的实际测量中发现了一个反常现象：离空调机组较近的机柜，

往往难以得到足够的冷风，散热状况差于远端的机柜。图2、图3是对经过孔板和机柜的风量统计，可以发现冷通道机房内依然存在此现象。在图2中，前段送风孔板的出风量明显少于后段。同样的状况发生在机柜上（图3），且机柜前进风表面在风量上的差异更加巨大。前一半机柜的进风量普遍较低，只占后段机柜的四分之一甚至更少，这无疑会对机柜的散热造成极大困难。

图2 送风孔板出风量

图3 机柜进风量

以上现象的原因在于架空地板下的压力分布不均匀。冷风在地板下的流动垂直于孔板出风方向，板下的静压是决定孔板出风量的关键。如图4中所示，送风孔板区域内的压力分布存在较大的梯度，从第一个孔板处接近0Pa到最后的15Pa，静压呈现出随气流方向而慢慢增加的趋势。这也是孔板上存在风量差异的根本原因。

图4 架空地板下的静压分布图

当冷气流通过孔板进入通道后，其不良影响依然存在。图5中可以明显看到有一股高速气流直接将冷风带到了通道末端，而通道前段的机柜则处于大面积的静流区中。由于机柜面上流速高，伯努利效应使得进入通道的冷风难以直接进入机柜，而被惯性带向了通道末端，这就造成了通道前后机柜进风量存在差异。此外，由于数据机房产热量高，相应的冷风量也十分巨大，使得这种远近端的风量差距更为剧烈。如果能在以上两个方面做出改善，将会为通道内的气流组织和机柜散热带来非常有益的作用。

图5 机房纵向剖面速度分布

3 对通道内流场的影响

架空地板的高度以及竖直挡板这两个因素在送风过程中，处在送风的咽喉部位，无时无刻不影响着速度与压力分布，是研究通道内气流环境的重要对象，而地板出风量、机柜进风量能比较直观地表征通道内的气流特征，是较好的评价因素。进一步的分析将从这几个方面展开。

3.1 架空地板高度

数据机房中，一般实际工程所用架空地板高度在0.3m至0.7m之间。为了更好地说明架空地板高度对气流组织的影响，笔者以100mm作为模型差异，分别模拟了数据机房0.3～0.7m地板高度的气流组织分布。

图6 不同架空地板高度孔板出风量的对比

图7 不同架空地板高度机柜进风量的对比

从图6可以看到，架空地板高度为0.3m时，曲线在通道前后段的风量差异性最大。随着架空地板高度的增加，这种差异性逐渐缩小，前段孔板的出风量得到了提升，后段孔板的出风量得到了衰减。同时，机柜面上的风量曲线也随着架空地板高度的慢慢增加而渐渐平缓（图7）。各机柜间的进风量差异在逐渐改善，同时这种差异的范围也得到较好控制，相比高度0.3m时，架空地板高度为0.7m时的曲线上有近十个机柜的进风量近似在

同一水平线上。但是，其对于通道前段机柜的进风量并没有太大作用，架空地板对通道前几个机柜进风量的改善能力有所欠缺。另外，仔细观察可以看到高度0.6m和0.7m的曲线在图形中几乎重合，这说明当架空地板的高度增加到一定程度时，其对气流所发挥的作用不再像先前一样显著。

3.2 架空地板下的竖直挡板

架设挡板的主要目的是阻挡来流，加快水平速度的衰减，促进压力平衡。挡板架设的模型如图10。总共15块挡板按机架宽度0.6m间距竖直布置于架空地板下，紧贴送风孔板，与冷通道同宽。挡板高度以10cm为模型差异。由于挡板的高度受制于架空地板高度，模拟中特将架空地板高度分为30cm、50cm两种情况。之所以选取这两个高度，是由于它们各自的风量曲线相差较大，有较大的对比空间。

图8 竖直挡板架设的物理模型

图9 30cm架空地板不同挡板高度的送风孔板出风量的对比

图10 30cm架空地板不同挡板高度的机柜进风量的对比

图11 50cm架空地板不同挡板高度的送风孔板出风量的对比

图12 50cm架空地板不同挡板高度的机柜进风量的对比

在图9、图11上，竖直挡板高度的增加，加剧了孔板前后段出风的差异性。在图9

中，前两个孔板冷风向地板下回流的现象。与之相比50cm高架空地板稍有改善，架空地板在这里面发挥了作用，但是出风曲线较为混乱。虽然在孔板上得到了反效果，但是在机柜的进风量上，挡板则起到了巨大的促进作用。随着挡板的架设和挡板高度的增加，机柜进风量曲线的整体趋势变得平缓，前段机柜和后段机柜之间的差距也渐渐缩小。这是架空地板所无法达到的作用。挡板的作用相对稳定，当挡板高度大于架空地板高度的50%时，其改善气流的作用尤为显著。

图13 50cm架空地板下布置30cm高挡板纵剖面速度矢量分布图

将图13与图5之间进行对比，可以看到图13中的速度比较均匀，特别是孔板出风的角度得到了很好的修正；高流速直接将冷气流带向通道末端的现象已经不复存在，这对冷空气在通道内均衡扩散有很好的作用。此外，通道前后段之间风速的差距已不再像图5中那么明显，并且其显著下降的平均流速，将十分有益于冷空气顺利进入机柜。竖直挡板的架设对机柜面的风量平衡有着很好的促进作用，更高的竖直挡板，对修正气流方向，衰减流速有更大作用，对机柜面的进风量均匀作用也较明显，但是其却不能像架空地板那样也促进孔板送风的均匀性，相反，挡板的架设会对孔板送风产生逆作用。

4 对通道内温度场的影响

在比较了架空地板、挡板对气流的影响后，发现它们有着各自的特点，在孔板和机柜面上的表现差异也使得对其在气流作用上如何评价存在着困惑。然而它们对气流的每一点作用都会反映在温度分布上，温度分布的分析能够更加直观地分析不同因素对通道内环境的影响。

图14 架空地板高度对机柜温度的影响

图15 30cm高架空地板下各挡板高度对机柜温度的影响

图16 50cm高架空地板下各挡板高度对机柜温度的影响

对比平均温度后发现，架空地板与挡板都有明显作用。架空地板高度平均每提高100mm，机柜的平均温度能下降1℃，而挡板每增加100mm，能再将机柜的平均温度下降1℃～2℃。挡板对平均温度的控制优于架空地板。此外，在挡板高度在接近架空地板高度50%左右时，平均温度的下降幅度最大，之后与之前都较为平缓。如果说机柜的平均温度能够说明冷风的整体利用率，那温度分布则更加细致地反应了机柜内环境的变化。图14中，随着架空地板高度的增加，高温度区域（>320K）的百分比得到了降低，低温度区域（＜300K）则得到了稳步提升，并且这种作用随着架空地板高度的增加而继续增加。另一方面，高度较高的挡板在对机柜的高温区域的遏制上，有着架空地板无可比拟的作用。图15图16中，可以发现当挡板高度大于架空地板的50%时，那些大于325K的柱状线都早早地消失了。

对以上温度分布进行分析之后，两者对通道内环境的影响更加清晰。根据数据图形显示，挡板的架设对温度分布的影响最为显著。同时也有力地说明了相比孔板出风量，机柜的进风量对机房的散热影响更大，更能表征通道内气流组织的好坏。

5 结论

数据机房由于发热量大，送风要求较高，即使局部的气流组织不善也会引起较严重的后果。本文对数据机房内，特别是封闭冷通道内的气流组织做了一系列的改善尝试，研究结果表明：

1）架空地板对增加机柜温度分布的均匀性有较好作用，但对通道内前段机柜面进风量的改善作用并不像其对孔板那样显著；当架空地板的高度增加到一定程度时（0.6m左右），其作用达到稳定水平，不再随高度增加而增加。

2）竖直挡板的架设对通道内前段孔板的出风具有负作用，但是能显著提高机柜在进风面上风量的均匀性，能克服架空地板在此的不足。同时其对冷通道内的速度流场有较大改善作用，能较好降低通道内流速，修正孔板出风方向。同时，它在对整体机柜平均温度的控制上，特别是对机柜内相对较高温度区域百分比的控制上，作用十分显著，明显优于架空地板和孔隙率，是一种比较好的机房气流组织改善形式。当挡板高度高于其架空地板高度的50%，其效果更为显著。

3）孔板与机柜的进风存在着相互联系，但在封闭的冷通道内，孔板的出风量并不一定决定了机柜的进风量。从分析中得知，机柜的进风量在影响机柜的温度分布上有更大的作用，更能表征通道内环境的好坏。

参考文献

【相关文献】

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