大學碩士研究生答辯《空間幾何結構對冷通道封閉型數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境影響研究》模板課件（終版）

答辯人：XXX學號：XXXX導師：XXX實踐指導老師：XXX答辯時間：5月13日空間幾何結構對冷通道封閉型數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境影響研究目錄CONTENTS1緒論2數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境與氣流組織的數(shù)值模擬研究3空調(diào)位置對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響4擋板位置及角度對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響5數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的實測驗證6結論與展望1.緒論研究背景與目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的主要問題主要研究工作研究背景與目的1數(shù)據(jù)中心建設高速發(fā)展21世紀是網(wǎng)絡和信息的時代，數(shù)據(jù)處理需求的巨大增長極大地帶動了數(shù)據(jù)中心的建設和發(fā)展。2數(shù)據(jù)中心高能耗的特點空調(diào)系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總運行能耗的45%左右，成為主要能耗來源。3數(shù)據(jù)中心冷量浪費、局部過熱現(xiàn)象亟待解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)出現(xiàn)冷量浪費、局部過熱現(xiàn)象最主要的原因就是氣流組織不合理。4地板下靜壓層內(nèi)的氣流組織在數(shù)據(jù)中心有效運作上起關鍵作用對地板下靜壓層的流場有影響的因素主要包括：靜壓層的高度、穿孔地板的穿孔率和地板下障礙物的位置。降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗或建造高能效的數(shù)據(jù)中心對節(jié)能降耗研究具有重要意義優(yōu)化氣流組織分布，減少局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生是數(shù)據(jù)中心建設必須重點考慮的問題研究目的：改善數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質，優(yōu)化氣流組織分布，減少局部熱點的產(chǎn)生，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗，本文提出優(yōu)化地板下送風風道結構來改善數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀靜壓層高度、地板穿孔率以及空調(diào)位置情況下關于靜壓層高度的研究PatankarS.V利用CFD模擬了靜壓層高度在150mm~600mm的變化下數(shù)據(jù)中心地板下靜壓層內(nèi)的氣流分布和穿過地板的氣流分布。Bhopte、JoshiY、ChoJ等通過建立數(shù)據(jù)中心不同靜壓層高度的CFD模型模擬計算了在不同靜壓層高度下地板下氣流速度及穿過地板的氣流速度和溫度。關于穿孔地板穿孔率的研究FulpagareY等逐個研究了穿孔率25%，36%和50%的穿孔地板的熱剖面，得出低穿孔率區(qū)域熱氣流更容易與冷氣流混合的結論。FakhimB等通過CFD模擬提供了控制穿過地板氣流分布的流體機械進程，并模擬計算了通過穿孔率為25%、50%、75%和100%穿孔地板的流體速度和溫度，比較發(fā)現(xiàn)通過穿孔率25%的穿孔地板的氣流分布更均勻。關于空調(diào)位置的研究NadaS.A等研究了空調(diào)的位置對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境性能的影響，對空調(diào)垂直于機柜和空調(diào)平行于機柜兩種方式對比，得出了單個空調(diào)垂直與機柜放置較好的結論。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀關于地板下?lián)醢宓难芯縁ulpagareY等[34]在此基礎上模擬靜壓層內(nèi)的障礙物對氣流分布的影響，發(fā)現(xiàn)不利障礙物會使氣流進入冷通道時的速度減少80%，進而減少了冷空氣冷卻服務器的流量，容易產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象。SVPatankar[35]又深入研究了地板下障礙物對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)在靜壓層內(nèi)架設有利擋板會減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進靜壓層內(nèi)的壓力平衡，從而調(diào)節(jié)對應進入冷通道內(nèi)的風量，使得冷通道內(nèi)的氣流更加均勻，增加氣流對機柜的冷卻效率存在的主要問題以往的研究均是以個別已建成的數(shù)據(jù)中心作為研究對象，得到的結論雖然有一定的參考價值，但缺乏普遍性。以往研究單個因素對氣流組織影響的過程并沒有循序漸進和比較系統(tǒng)的研究方案，且研究手段大多是基于CFD數(shù)值模擬，少部分通過建立小規(guī)模模型進行試驗研究。

數(shù)據(jù)中心地板下?lián)醢逖芯恐饕芯抗ぷ鞅疚囊砸圆贾糜?列機柜的數(shù)據(jù)中心子模塊（以下簡稱數(shù)據(jù)中心）為研究對象，采取冷通道封閉，機房空調(diào)正向送風、地板下送風的氣流組織方案，主要研究數(shù)據(jù)中心空間幾何結構對對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響，研究工作分為以下三個部分：數(shù)據(jù)中心氣流組織的數(shù)值模擬研究三個影響因素的研究分析和優(yōu)化設計數(shù)據(jù)中心的實測分析與模擬方法驗證根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實際尺寸建立通道封閉的數(shù)據(jù)中心數(shù)值計算模型，并進行數(shù)值求解。根據(jù)輸出的可視化云圖分析不同高度平面的速度場和溫度場分布，得到基于模擬結果的初步結論，總結出現(xiàn)的熱環(huán)境問題及速度場、溫度場的分布特點。在原來模型的基礎上，數(shù)值模擬研究空調(diào)位置、地板下?lián)醢逦恢煤蛽醢褰嵌热箫L道結構參數(shù)對氣流組織的影響。根據(jù)模擬結果推薦各個影響因素的參數(shù)值范圍，并逐步優(yōu)化數(shù)據(jù)中心各個影響因素的參數(shù)值，最終獲得地板下送風風道結構優(yōu)化，氣流組織合理的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型。對實勘數(shù)據(jù)中心子模塊進行了實測分析。根據(jù)測量數(shù)據(jù)與第2章模擬結果的對比分析來驗證CFD模擬所建模型、邊界條件設定、網(wǎng)格劃分的合理性和準確性，從而驗證了優(yōu)化模擬結果的可靠性，增加可信度。主要研究工作2.數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境與氣流組織的數(shù)值模擬研究數(shù)值模擬模型的建立邊界條件與初始值設定模擬結果分析數(shù)值模擬模型的建立空調(diào)平行于機柜，空調(diào)與冷通道在一條直線上空調(diào)平行于機柜，空調(diào)與熱通道在一條直線上；空調(diào)垂直于機柜，兩臺空調(diào)布置在一側空調(diào)垂直于機柜，兩臺空調(diào)分別布置在兩側數(shù)值模擬模型的建立假設：模型中保持服務器散熱量不變，設定服務器的數(shù)量為4，平均分配熱源散熱量，則每個服務器的散熱量為100W。機柜內(nèi)服務器的尺寸為800mm×500mm×350mm，到機柜前、后門距離分別設置為10mm和20mm，到左、右柜體距離均設為50mm，服務器到機柜底部、頂部的距離分別為150mm，服務器與服務器之間間隔100mm。圖5數(shù)據(jù)中心子模塊物理模型圖圖4機柜服務器模型邊界條件與初始值設定數(shù)值模擬初始值設定邊界條件設定參數(shù)數(shù)值模擬環(huán)境溫度（℃）28單臺空調(diào)風量（m3/s）3.5空調(diào)送風溫度（℃）18單臺服務器發(fā)熱量（W）100穿孔地板穿孔率（%）20名稱邊界條件空調(diào)進、出風口風扇機柜正、背面通風口服務器體熱源穿孔地板多孔階躍模型模擬結果分析數(shù)據(jù)中心立面速度矢量圖數(shù)據(jù)中心平面速度矢量圖數(shù)據(jù)中心單列機柜溫度分布圖Z=0.5mZ=1.0mZ=1.5m不同高度截面的溫度分布圖模擬結果分析水平方向，靠近機房空調(diào)的冷通道前段氣流速度較小，在冷氣流輸送方向，氣流速度不斷增大，在冷通道中部達到峰值后隨著輸送距離的增加又開始逐漸減小，故靠近機房空調(diào)的3排機柜溫度較高。豎直方向，冷氣流在機柜底部開始擴散，到機柜中部完成衰減，再加上熱氣流的浮升力導致機柜頂部溫度最高，出現(xiàn)局部過熱點。機房回風口周圍出現(xiàn)空氣滯留區(qū)域，溫度較高。3.空調(diào)位置對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響ASHRAE標準空調(diào)位置的研究空調(diào)位置的小結ASHRAE標準ASHRAETC9.9對數(shù)據(jù)中心冷通道內(nèi)的氣流溫度提出建議和要求，隨著科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的冷卻技術的不斷提高，冷通道內(nèi)的推薦和要求最高溫度逐漸提高，冷通道內(nèi)的推薦和要求最低溫度逐漸降低，從2004年到2015年ASHRAE的標準也逐漸改變，如表所示，因此本文選取的數(shù)據(jù)中心冷通道內(nèi)的溫度為27℃，用來判斷是否符合標準。

2004版2008/2011版2015版冷通道內(nèi)的最低推薦溫度20℃18℃18℃冷通道內(nèi)的最高推薦溫度25℃27℃27℃空調(diào)位置的研究數(shù)據(jù)中心平面速度場數(shù)據(jù)中心立面矢量速度場空調(diào)位置的研究數(shù)據(jù)中心3D溫度場數(shù)據(jù)中心立面溫度場數(shù)據(jù)中心Z=1.3m的平面溫度場4.擋板位置及角度對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響擋板位置擋板角度小結擋板位置的優(yōu)化

擋板架設方式（a），（b），（c）分別為“無擋板”，“V字形”和“八字形”擋板位置的優(yōu)化三種擋板模擬的靜壓層速度場三種擋板模擬的Z=0.6m速度場三種擋板模擬的Z=1.3m溫度場靜壓層內(nèi)架設擋板，目的是減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進靜壓層內(nèi)的壓力平衡，從而調(diào)節(jié)對應進入冷通道內(nèi)的風量，使得冷通道內(nèi)的氣流更加均勻，增加氣流對機柜的冷卻效率。“八字形”擋板可以促進速度場均勻分布，以及提高冷空氣對機柜的冷卻效率。擋板角度的優(yōu)化

架設擋板示意圖在得到最佳空調(diào)位置和擋板位置的數(shù)據(jù)中心的前提下，本文將靜壓層下的擋板以ɑ為30°—60°的角度對數(shù)據(jù)中心氣流組織和熱環(huán)境的影響進行研究。本文以空調(diào)中心線與遠空調(diào)端壁面的交點為基準點，以15°為步長，分別是ɑ為30°，45°以及60°三種角度為研究對象。地板下?lián)醢褰嵌鹊膬?yōu)化

三種擋板角度模擬的Z=0.6m速度場三種擋板角度模擬的Z=1.3m溫度場（a）（b）（c）

分別30°45°60°小結靜壓層內(nèi)架設有效擋板有利于減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進靜壓層內(nèi)的壓力平衡，使得冷空氣進入冷通道內(nèi)的氣流分布更加均勻，有利于增加冷空氣的冷卻機柜的冷卻效率。而靜壓層內(nèi)的擋板若架設不當，使得靜壓層內(nèi)存在多余的不利障礙物，從而導致靜壓層內(nèi)的氣流分布紊亂，不利于冷空氣高效地冷卻IT服務器，嚴重會導致服務器溫度過高，發(fā)生宕機的現(xiàn)象。因此本文推薦最佳的靜壓層內(nèi)的擋板架設方式為“八字形”架設方式。靜壓層內(nèi)的擋板架設為“八字形”方式，角度的改變同樣也會影響數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境，靜壓層內(nèi)的擋板角度過小起不到減少氣流水平流動方向的末端靜壓的作用，擋板角度過大會遮蓋住冷通道下方的穿孔地板，阻礙氣流進入冷通道，因此通過對擋板角度的對比分析得到最佳的擋板角度。當擋板角度為60°時，冷通道內(nèi)的氣流組織最佳，機柜溫度最均勻。5.數(shù)據(jù)中心氣流組織的試驗驗證機柜周圍氣流組織實測分析CFD模擬的可靠性驗證機柜周圍氣流組織實側分析在機柜進風側距離地板500mm、1000mm、1500mm高度位置測量氣流速度，在每個機柜進風側和出風側距離地板500mm、1000mm、1500mm高度位置測量氣流溫度。為避免服務器散熱風扇的氣流對測試數(shù)據(jù)的影響，在測試時測量點距離機柜進風面、出風面150mm。在一個測量點測量3~4個數(shù)據(jù)，取平均值為測量結果。2測點布置1數(shù)據(jù)中心子模塊實勘現(xiàn)場機柜周圍氣流組織實測分析實測儀器機柜周圍氣流組織實側分析A列機柜進風側的氣流速度折線圖A列機柜Z=0.5m高度平面機柜進風側速度實測值與模擬值對比圖A列機柜進風側的氣流溫度折線圖

A列機柜Z=0.5m高度平面機柜進風側溫度實測值與模擬值對比圖CFD模擬的可靠性驗證

CFD模擬結果圖像

實測紅外成像圖像5.結論與展望結論與展望結論情況下（1）通過CFD模擬空間幾何結構對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境和氣流組織的影響，發(fā)現(xiàn)空調(diào)位置，靜壓層內(nèi)的擋板位置以及擋板角度都會對數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，其中空調(diào)垂直與機柜，空調(diào)均在一側的放置情況氣流組織最佳，在此基礎上在靜壓層內(nèi)架設“八字形”型的擋板會有利于優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的氣流分布，且擋板角度為60°時機柜溫度最低，氣流組織質量最佳，熱環(huán)境品質最好。（2）空調(diào)的位置對數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境發(fā)揮著重要的作用。在相同的條件下，不利的空調(diào)位置會導致機柜局部熱點的產(chǎn)生，極大程度上增加了數(shù)據(jù)中心宕機的危險，而有利的空調(diào)位置不僅會減少機柜局部過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，還會提高冷空氣冷卻IT服務器的效率，節(jié)能降耗。因此經(jīng)過對比不同空調(diào)位置對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響，本文根據(jù)數(shù)據(jù)中心既能滿足安全的要求又達到節(jié)能的目的的前提下，推薦空調(diào)垂直與機柜，空調(diào)均在一側的放置形式。（3）靜壓層內(nèi)架設有效擋板有利于減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進靜壓層內(nèi)的壓力平衡，使得冷空氣進入冷通道內(nèi)的氣流分布更加均勻，有利于增加冷空氣的冷卻機柜的冷卻效率。而靜壓層內(nèi)的擋板若架設不當，使得靜壓層內(nèi)存在多余的不利障礙物，從而導致靜壓層內(nèi)的氣流分布紊亂，不利于冷空氣高效地冷卻IT服務器，嚴重會導致服務器溫度過高，發(fā)生宕機的現(xiàn)象。因此本文推薦最佳的靜壓層內(nèi)的擋板架設方式為“八字形”架設方式。（4）數(shù)據(jù)中心靜壓層內(nèi)的擋板角度的改變同樣也會影響數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境，靜壓層內(nèi)的擋板角度過小起不到減少氣流水平流動方向的末端靜壓的作用，擋板角度過大會遮蓋住冷通道下方的穿孔地板，