2019年整理數(shù)據(jù)中心的熱場模擬分析

1、題目：數(shù)據(jù)中心的熱場模擬分析摘要：影響數(shù)據(jù)中心空調房間氣流組織的主要因素是入口風速、進風口的位置、進回風口的相 對位置等，本文采用Flue nt軟件來模擬三維的較復雜的數(shù)據(jù)中心空調室內氣流組織的流動形能量守恒方程以及k-s方程，采用固定的入口風速、出口并在 Flue nt軟件中以直觀的方式表示出了各種不同氣流組（氣流流型圖），分析討論氣流分布的規(guī)律、特點及其適用場式，首先在Gambit里建立物理模型，然后對所建立的物理模型進行網(wǎng)格劃分，選用空氣流動 的質量守恒方程、動量守恒方程、 風速來對空調室內進行模擬分析， 織方案下氣流的溫度場和速度場 合。結果證明，利用k-S湍流模型對空調房間的氣流組織

2、進行數(shù)值計算是可行的。這一數(shù)值 模擬方法也能幫助設計人員預測其氣流設計方案的效果。這對于保證良好的房間空調系統(tǒng)氣 流組織設計方案、提高室內空氣品質、減少空調的能耗，對建筑物熱環(huán)境的節(jié)能設計及室內 空氣質量的評價都有重要的意義。In flue ncetheairc on diti onroo mofthedatace ntercurre ntofairorga ni zati onofmain factorise ntrancewind velocity,e nterthe positi ono fplacewithadraught,e nterretur ntop lacewithadraug

3、htofo ppo site po siti on etc.,t hisliterarygraceuseFlue ntsoftwareimitate3Dlya ndmoreco mp licati on sofdatace nterairc on diti onin doorc urren tofairorga nizatio no fflowform,firsti ntheGambitestablishme ntp hysicsmodel,the ntoestablishme nto fphysicsthemodelcarry on ameshdividetheli ne,thequalit

4、ywhichchoosetouseaircurre ntguardHe ngsquare thedistance,momentumguardHengsquarethedistance,energyguardHengsquaredistanceand k - ® gquar edista nce,ado pti on fixofe ntrancewin dvelocity,ex portwin dvelocitycometoairc on diti onin doorcarry onim itatea nalysis,a ndmea ntbykee pin gaview in theF

5、lue ntsoftwarevariousdissimilaritycurre ntofairorga ni zati on the projectdesce ndte mp eraturefielda ndsp eedfield(thecurre ntofairflowadiagram)ofc urren tofair,a naly sisregulation,characteristicsthatdiscusscurrentofair 'distributeanditappiysituation.Resultcertificatethatmakeuseofswiftflowmode

6、ltothecurre ntofairoftheairc on diti onroo morga ni zati on carry onnu mbercalculatio nisviable.This nu mberimitateamethodalsoabilityhel pdesig npersonn elestimat eitscurre ntofairdesig np rojectofeffect.Thisforassura ncegoodsystemcurre ntofairoftheroomairc on diti on orga ni zatio ndesig np roject,

7、exaltati onin doorairquality,decreaseairc on diti ono fabilityc on sume,hottobuil dingen vir onmen tofec ono mye nergydesig nandin doorairqualityofevaluati on allhave importance。fmea ni ng.問題重述：在一簡化為長為10米，寬為9.5米，高為4米的數(shù)據(jù)中心機房內，在其機房正中間沿長度方向并排布置4排服務器機柜，每排由 5個機柜組成。每個機柜為長1米，寬0.9米，高3米，每個機柜平均分成5層，每層稱為一個機架，每

8、個機架房一臺服務器，每個服務器的功率為4千瓦（見圖1）。由于服務器對工作環(huán)境要求比較高，特別是環(huán)境溫度，通常數(shù)據(jù)中心機房需要對機房安 裝風冷系統(tǒng)及風排熱系統(tǒng)。風冷系統(tǒng)將冷風（溫度 熱風排到機房外。冷風道與熱風道交錯排列，冷風道寬1.5隙率為50%勺空心磚，冷風從空心磚進入機房冷風道。熱風道寬 排風孔排出。圖2 ）。機架的進風口面對冷風道，出風口面對熱風道,13°）送到冷風道。風熱系統(tǒng)將熱風道的米（靠墻邊略小一些），地板是空 1米，熱風通過熱風道頂部的 通過氣流運動給服務器降溫（見lOm你的任務如下:（1） 室內流場。（2）建立該問題的機房空氣流場模型，給出冷送風與熱排風均為0.400

9、立方米/秒的建立該問題的熱場分布模型，并在（1）條件下給出該問題的溫度場。如果外部環(huán)境溫度為 30，機房的正常工作溫度為不超過 30，計算該機房1天的制冷能耗。問題分析精密空凋/熱通道冷通道熱通遒合理布置機柜對于確保機柜擁有適當溫度和足夠的空氣非常重要。采取“面對面、背靠 背”的機柜擺放及將空調設備與熱通道對齊方式，這樣在兩排機柜的正面面對通道中間布置 冷風出口，形成一個“冷通道”的冷空氣區(qū)，冷空氣流經(jīng)設備后形成了熱空氣，再被排放到 兩排機柜背面中的“熱通道”中，最后通過熱通道上方布置的回風口回到空調系統(tǒng)，使整個 機房氣流、能量流流動通暢，不但提高了機房精密空調的利用率，而且還進一步提升了制冷

10、 效杲?；炯僭O：在建立數(shù)學模型前對室內氣體的流動先做以下假設1氣體有無數(shù)無間隙的質點連續(xù)的組成2氣體質點的物理參數(shù)是空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)模型建立求解我們采用k-&三維湍流模型方程，為了簡化問題，做如下假設1室內氣體滿足牛頓內摩擦定律，為牛頓流體；2室內流體溫度變化不大，密度可視為常數(shù)；3室內氣體的流動形式為穩(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室內空氣在房間內壁面上滿足無滑移邊界條件。6忽略人為地產(chǎn)熱量，比如呼吸產(chǎn)熱等氣流流動的控制方程描述室內空氣流動的三維 N-S方程可由下列式表示（1 ）質量守恒方程：Pi(2 )動量守恒方程:(PUi)+上(

11、PUiUj) =OtCxii(3 )能量守恒方程:(AjiT)KSi I Pr其中：P-密度(kg/m3)t -時間(s)fdlui + 點 uj一玉ij比ii 1gXjcxi3j ext 丿icTi丿cxiA + c+ 二(-PUi uj )CXjXii -位置坐標(m) ( i=1,2,3分別表示x,y,z三個方向)Uj- xi方向的速度(m/s)4-粘性系數(shù)(kg/(m.s)湍流模型k-£模型是個半經(jīng)驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率。 程是個由經(jīng)驗公式導出的方程。k-£模型假定流場完全是湍流，分子之間的粘性可以忽略。標準 全是湍流的流場有效。K方程是個精確方程，&#

12、163;方k-£模型因而只對完標準k-模型的方程湍流動能方程k和擴散方程名分別如下：(Pk) +才(氐Ui)= CtCxiibk丿釦+ Gk +Gb-冷-YM +SkCXjXii0j式中：Gk 一由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能Gb 一一由浮力產(chǎn)生的湍流動能+ Cigk(GK +C3Qb) C2gp+ + SgkkYm在可壓縮湍流中，過渡的擴散產(chǎn)生的波動C1, C2, C3，一一常量；Ck 一一 K方程的湍流普朗特數(shù)（無因次數(shù)）:CTg一 &方程的湍流普朗特數(shù)（無因次數(shù)）;Sk、S名一一用戶自定義的。湍流速度模型 湍流速度從由下式確定k2£其中C,是常量。模型常量如下

13、：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-z模型RNgs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)學方法。解析性是由它直接從標準k-S模型變來，還有其它的一些功能。（1） RNG k- £模型的方程”的F嚴一仲）+ （Pkui）=點XiXiick）+GK+Gb-陀-Ym+Sk&jck££2點XjiGk 一一由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能Gb 一一由浮

14、力產(chǎn)生的湍流動能Ym在可壓縮湍流中，過渡的擴散產(chǎn)生的波動C1, C2, C3,常量；bk 一 K方程的湍流普朗特數(shù)（無因次數(shù)）:一一 £方程的湍流普朗特數(shù)（無因次數(shù)）;Sk、S客一一用戶自定義的。（2）有效速度模型在RNG中消除尺度的過程由以下方程:d（雪）=1.72 F dv 阿&3v_1+CvCv “00方程4是一個完整的的方程，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皆0.0845，來自RNG理論。這個值和標準 k-&模型總的0.09很接近。在FLUENT中粘性的影響使用在方程的大雷諾數(shù)形式。當要

15、計算低雷諾數(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項中，表現(xiàn)了湍流動能的產(chǎn)生，是按照標準RNG帶旋流修正k-£模型而做的，從糟確的K方程，這項可以定義為：Gk 甲卩jcxi為了評估 Gk和Boessinesq假設:Gk = iS2S是系數(shù)，定義為：S = J2Sij Sijk - £模型中受湍流浮力影響的 k - S模型當重力和溫度要出現(xiàn)在模擬中時，F(xiàn)LUEN沖的k-z模型在K方程中考慮到了浮力的影響, 相應的也在名方程中考慮了，浮力由下式給出：Ggi昔亙Prt cxi這里：Prt 一一湍流能量的普朗特數(shù)gi重力在i方向上的分量。對于標準和帶旋流修正k

16、-£模型，Prt的默認值是0.85.在RNG莫型里Prt=1/ a，這里a是由方程確定的，但是 a0Pr ucp熱膨脹系數(shù)P定義為:利用Flue nt軟件可以模擬出圖像計算過程的殘差圖矗1 41 訂Fig.4-1Calculation Etsvdual FLot計算完成后，我們保存它的case和data文件，然后可以通過后處理過程來顯示和查看計算結果，我們截取 x=1000的平面來顯示出流場的溫度、速度等數(shù)據(jù)的矢量圖、等值線圖,直觀的表示出計算結果。(ft/s)1 9»*0C1加M11 dWM11 S5sOO1.1血0013護TOflflOSIUO1*-D1II7.12fr

17、J1 Gias-ai f叭ZSTfQI1 aaOk-A； 0 0U»*D0圖4-5 T= 1000平層的空T逹度分布的尋恒線圖伍f酮4-5 it Lou Uy Contour cf i- 1000(t/p)1«5e*O0tfieawoo 159««O0 148e*O0 1如00 1E00 1R8 1 ilrOO0 20915«M)1 4«5e-01 3X1 3IO<hC1 1 erfrci94Z22Hft-C3冷送風與熱排風均為0.400立方米/秒時的熱場分布彳一6 1= 1000平面的空氣速度分布的矢®5（*/s）F

18、ig.4-6 Air velocity vector of x=IOOO (n/s) 96*4022 33*024-7 x-lOOO平面的空氣S度分布的等值fS圖（K）Fig47 Air t<?operaturc contour of x«1000(lO冷送風與熱排風均為0.400立方米/秒的室內流場。可以模擬出該速度下的速度場和溫度場: ir/s )燉*1 E>>+4?專沁1 It SMI仔門 f +叩點I3 312W>nit£3frd：l 嘟T 4如心I 0013亍總、i r :揖、"W誠、 *和 i' '呻 、2 V:二iLCKT<K一f f2、7、冷送風與熱排風均為0.400立方米/秒的室內流場。'艸h