數(shù)據(jù)中心的熱場(chǎng)模擬分析

1、題目：數(shù)據(jù)中心的熱場(chǎng)模擬分析摘要：影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)房間氣流組織的主要因素是入口風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)口的位置、進(jìn)回風(fēng)口的相 對(duì)位置等，本文采用Fluent軟件來(lái)模擬三維的較復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心空調(diào)室內(nèi)氣流組織的流動(dòng)形式，首先在Gambit里建立物理模型，然后對(duì)所建立的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用空氣流動(dòng) 的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及k 方程，采用固定的入口風(fēng)速、出口風(fēng)速來(lái)對(duì)空調(diào)室內(nèi)進(jìn)行模擬分析，并在 Fluent軟件中以直觀的方式表示出了各種不同氣流組 織方案下氣流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)(氣流流型圖)，分析討論氣流分布的規(guī)律、特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合。結(jié)果證明，利用k湍流模型對(duì)空調(diào)房間的氣流組織進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是

2、可行的。這一數(shù)值模擬方法也能幫助設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)其氣流設(shè)計(jì)方案的效果。這對(duì)于保證良好的房間空調(diào)系統(tǒng)氣 流組織設(shè)計(jì)方案、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)、減少空調(diào)的能耗，對(duì)建筑物熱環(huán)境的節(jié)能設(shè)計(jì)及室內(nèi) 空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)都有重要的意義。Influencetheairconditionroomofthedatacentercurrentofairorganizationofmainfactorisentrancewind velocity,enterthepositionofplacewithadraught,enterreturntoplacewithadraughtofoppositepositionetc.,t h

3、isliterarygraceuseFluentsoftwareimitate3Dlyandmorecomplicationsofdatacenterairconditionindoorc urrentofairorganizationofflowform,firstintheGambitestablishmentphysicsmodel,thentoestablishmento fphysicsthemodelcarryonameshdividetheline,thequalitywhichchoosetouseaircurrentguardHengsquarethedistance,mom

4、entumguardHengsquarethedistance,energyguardHengsquaredistanceandk squaredistance,adoptionfixofentrancewindvelocity,exportwindvelocitycometoairconditionindoorcarryonim itateanalysis,andmeantbykeepingaviewintheFluentsoftwarevariousdissimilaritycurrentofairorganizati ontheprojectdescendtemperaturefield

5、andspeedfield(thecurrentofairflowadiagram)ofcurrentofair,analy sisregulation,characteristicsthatdiscusscurrentofair 'sdistributeanditapplysituation.Resultcertificatethatmakeuseofswiftflowmodeltothecurrentofairoftheairconditionroomorganization carryonnumbercalculationisviable.Thisnumberimitateame

6、thodalsoabilityhelpdesignpersonnelestimat eitscurrentofairdesignprojectofeffect.Thisforassurancegoodsystemcurrentofairoftheroomaircondition organizationdesignproject,exaltationindoorairquality,decreaseairconditionofabilityconsume,hottobuil dingenvironmentofeconomyenergydesignandindoorairqualityofeva

7、luationallhaveimportanceofmeani ng.關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心、氣體流場(chǎng)、CFD Fluent軟件問題重述：在一簡(jiǎn)化為長(zhǎng)為10米，寬為9.5米，高為4米的數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)，在其機(jī)房正中間沿長(zhǎng)度方向并排布置4排服務(wù)器機(jī)柜，每排由 5個(gè)機(jī)柜組成。每個(gè)機(jī)柜為長(zhǎng) 1米，寬0.9米，高3米，每個(gè)機(jī)柜平均分成 5層，每層稱為一個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架房一臺(tái)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器的功 率為4千瓦（見圖1）。由于服務(wù)器對(duì)工作環(huán)境要求比較高，特別是環(huán)境溫度，通常數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要對(duì)機(jī)房安 裝風(fēng)冷系統(tǒng)及風(fēng)排熱系統(tǒng)。風(fēng)冷系統(tǒng)將冷風(fēng)（溫度13。）送到冷風(fēng)道。風(fēng)熱系統(tǒng)將熱風(fēng)道的熱風(fēng)排到機(jī)房外。冷風(fēng)道與熱風(fēng)道交錯(cuò)

8、排列，冷風(fēng)道寬1.5米（靠墻邊略小一些），地板是空隙率為50%勺空心磚，冷風(fēng)從空心磚進(jìn)入機(jī)房冷風(fēng)道。熱風(fēng)道寬1米，熱風(fēng)通過熱風(fēng)道頂部的排風(fēng)孔排出。機(jī)架的進(jìn)風(fēng)口面對(duì)冷風(fēng)道，出風(fēng)口面對(duì)熱風(fēng)道， 通過氣流運(yùn)動(dòng)給服務(wù)器降溫（見圖2 ）。lOm你的任務(wù)如下：（1） 建立該問題的機(jī)房空氣流場(chǎng)模型，給出冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400立方米/秒的 室內(nèi)流場(chǎng)。（2）建立該問題的熱場(chǎng)分布模型，并在（1）條件下給出該問題的溫度場(chǎng)。（3） 如果外部環(huán)境溫度為 30o，機(jī)房的正常工作溫度為不超過30o，計(jì)算該機(jī)房1天的 制冷能耗。問題分析熱通道 冷通道 熱通道合理布置機(jī)柜對(duì)于確保機(jī)柜擁有適當(dāng)溫度和足夠的空氣非常重要。采取

9、“面對(duì)面、背靠 背”的機(jī)柜擺放及將空調(diào)設(shè)備與熱通道對(duì)齊方式，這樣在兩排機(jī)柜的正面面對(duì)通道中間布置 冷風(fēng)出口，形成一個(gè)“冷通道”的冷空氣區(qū)，冷空氣流經(jīng)設(shè)備后形成了熱空氣，再被排放到 兩排機(jī)柜背面中的“熱通道”中，最后通過熱通道上方布置的回風(fēng)口回到空調(diào)系統(tǒng)，使整個(gè) 機(jī)房氣流、能量流流動(dòng)通暢，不但提高了機(jī)房精密空調(diào)的利用率，而且還進(jìn)一步提升了制冷 效果?；炯僭O(shè)：在建立數(shù)學(xué)模型前對(duì)室內(nèi)氣體的流動(dòng)先做以下假設(shè)1氣體有無(wú)數(shù)無(wú)間隙的質(zhì)點(diǎn)連續(xù)的組成2氣體質(zhì)點(diǎn)的物理參數(shù)是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)模型建立求解我們采用k三維湍流模型方程，為了簡(jiǎn)化問題，做如下假設(shè)1室內(nèi)氣體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，為牛頓流體；2室內(nèi)流體

10、溫度變化不大，密度可視為常數(shù)；3室內(nèi)氣體的流動(dòng)形式為穩(wěn)態(tài)紊流；4在紊流中心區(qū)，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散;5室內(nèi)空氣在房間內(nèi)壁面上滿足無(wú)滑移邊界條件。6忽略人為地產(chǎn)熱量，比如呼吸產(chǎn)熱等氣流流動(dòng)的控制方程描述室內(nèi)空氣流動(dòng)的三維 N S方程可由下列式表示(1) 質(zhì)量守恒方程：-(。)0tXii(2) 動(dòng)量守恒方程:UiUj)XiiUi_U_ZXjxi 3 ijUxtUi ujxj(3) 能量守恒方程:x-( UiT)priXi其中：t-時(shí)間(s)-密度(kg/m3)Xii -位置坐標(biāo)(m) (i=1,2,3分別表示x,y,z 三個(gè)方向)ui- xi方向的速度(m/s)-粘性系數(shù)(k

11、g/(m.s)湍流模型k模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。程是個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k模型假定流場(chǎng)完全是湍流，分子之間的粘性可以忽略。標(biāo)準(zhǔn)全是湍流的流場(chǎng)有效。K方程是個(gè)精確方程，方k 模型因而只對(duì)完標(biāo)準(zhǔn)k 模型的方程湍流動(dòng)能方程k和擴(kuò)散方程分別如下：-(k)(kUi)tXiixi和-()(山)tXii知-Gk xjGbSkk XjCi<(Gk C3 Gb) C2g k式中：Gk 一一由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gb 一一由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Ym 一一在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)C1, C2, C3, 一一常量；K方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）:一一 方程的湍流

12、普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）；Sk、S 一一用戶自定義的。湍流速度模型湍流速度從由下式確定其中C,是常量。模型常量如下：Cs=1 - 44, CZa=1.92, CV=0.09, Ck=1.0, 6E=1.3。這些常量是從數(shù)據(jù)中得來(lái)的，包括空氣、水的基本湍流。它們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了怎樣很好地處 理墻壁束縛和自由剪切流。RNG k 模型RNCk模型是從暫態(tài) N-S方程中推出的，使用了一種叫"Renormalization Group數(shù)學(xué)方法。解析性是由它直接從標(biāo)準(zhǔn)k模型變來(lái)，還有其它的一些功能。（1） RNG k 模型的方程!(k)(kui)Xi(M)(k eff)XiXjxijGkGbYMSk和!(

13、)(Ui)Xiik.(k eff)XiiXjC1gk(GKC3 Gb) C2g2kRgGk 一一由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb一一由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Ym 一一在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)C1, C2, C3, 一一常量；k一一 K方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）:一一 方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）；Sk、S 一一用戶自定義的。(2)有效速度模型在RNGF消除尺度的過程由以下方程:2kd()1.723dv.v 1 CveffCv 100方程4是一個(gè)完整的的方程，從中可以得到湍流變量怎樣影響雷諾數(shù)，使得模型對(duì)低雷 諾數(shù)和近壁流有更好的表現(xiàn)。在大雷諾數(shù)限制下方程得出：C = 0.0

14、845，來(lái)自RNGS論。這個(gè)值和標(biāo)準(zhǔn) k模型總的0.09很接近。在FLUENT粘性的影響使用在方程的大雷諾數(shù)形式。當(dāng)要計(jì)算低雷諾數(shù)是可以直接使用給出的方程。K-c模型中的模型湍流的產(chǎn)生在Gk項(xiàng)中，表現(xiàn)了湍流動(dòng)能的產(chǎn)生，是按照標(biāo)準(zhǔn)RN邯旋流修正k模型而做的，從糟確的K方程，這項(xiàng)可以定義為：Gki jXi為了評(píng)估 Gk和Boessinesq假設(shè):GkiS2S是系數(shù)，定義為：S2Sj Sjk模型中受湍流浮力影響的 k 模型當(dāng)重力和溫度要出現(xiàn)在模擬中時(shí)，F(xiàn)LUENT的k模型在K方程中考慮到了浮力的影響,相應(yīng)的也在 方程中考慮了，浮力由下式給出：git TPrt xi這里：Prt 一一湍流能量的普朗特?cái)?shù)

15、gi重力在i方向上的分量。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)和帶旋流修正模型，Prt的默認(rèn)值是0.85.在RN&莫型里Prt=1/ ，這里是由方程確定的，但是01PrUCp熱膨脹系數(shù)定義為:1()Xi利用Fluent軟件可以模擬出圖像計(jì)算過程的殘差圖剖4-1計(jì)算槐差用 Fign Calculat ion duAl Plot計(jì)算完成后，我們保存它的case和data文件，然后可以通過后處理過程來(lái)顯示和查看計(jì)算結(jié)果，我們截取 x=1000的平面來(lái)顯示出流場(chǎng)的溫度、速度等數(shù)據(jù)的矢量圖、等值線圖， 直觀的表示出計(jì)算結(jié)果。1 9U*0G 頑«11.祚301 4MD0, 2*00I" ADOl.glXJ

16、 9 T1S-51 A Sn -d 80121 7J JI3明711a DIM* DO圖4一5平直的皂氣譚度分布的等酒線用港Fiflk 4-5 Ai locily Contour cf i = 1000(11/s)212002偵頑 195e*Ot)頑 偵”0。 156e 頑 1 4«6HX) 1 »e，00 130«<00 1 21e*00 1 11f00 102«*00 9 2Se-Ol B35e-0! 7 4101 6 6001 5 56*01 4e5G-C1 3 31 2»hC11 mci 9 4心22 ”23圖4-6 x- 100

17、0平面的空氣速度分布的矢髭壓<b/s)Fig.4-6 Air velocity vector of x=100C (n/s)(K)3gO2 3 802 3 2902 32S02 3 2602 3.2*02 3*02 321SO2 315» 3 1502 3 1A02 3 302 3.1W02 3 1E02 3 10*02 3 "02 3W802 3 C8W 3 04602 3 0202 30 偵02JfieeHK 2 96<*O2 2fl6e*O2 2 3G2圖4一7 x- 1000平面的空氣溫段分布的等值線圖(K) Fig.4-7 A>r te«

18、;peraCure contour of x=1000(K)冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為 0.400立方米/秒的室內(nèi)流場(chǎng)?？梢阅M出該速度下的速度場(chǎng)和溫 度場(chǎng)：F漏TC 8* L"就I g贛 UT耳 技Dfi*的 IIET*31tNX I *I3K1：?31JWHM t g£ l MN Ji 牛婭E冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400立方米/秒的室內(nèi)流場(chǎng)。溢I J EE 心皿 :- ?l；E 3臥0?3 nr«? 3財(cái)昵 3煙業(yè)3峋,說 Jn&23 %四 心皿30X2撤遍 Mg 崩齡位冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400立方米/秒時(shí)的熱場(chǎng)分布根據(jù)運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，可以得出外部環(huán)境溫度為30°,機(jī)房的正常工作溫度為不超過30°，該機(jī)房1天的制冷能耗為。結(jié)論分析：本文運(yùn)用Fluent軟件對(duì)需調(diào)節(jié)的空調(diào)房間進(jìn)行了數(shù)值模擬，首先建立物理模型，研究了固定 送風(fēng)參數(shù)的室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，確定了影響室內(nèi)氣流組織的一些因素，得出了數(shù)據(jù)中心的 機(jī)房空氣流場(chǎng)模型、熱場(chǎng)分布模型。全文得出的主要結(jié)論如下：1. 從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，F(xiàn)luent軟件在室內(nèi)空調(diào)上的分析應(yīng)用是可行的，也是很