大學(xué)碩士研究生答辯《空間幾何結(jié)構(gòu)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(xué)號：XXXX導(dǎo)師：XXX實(shí)踐指導(dǎo)老師：XXX答辯時間：5月13日空間幾何結(jié)構(gòu)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(shí)測驗(yàn)證6結(jié)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(shè)高速發(fā)展21世紀(jì)是網(wǎng)絡(luò)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(shè)和發(fā)展。2數(shù)據(jù)中心高能耗的特點(diǎn)空調(diào)系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總運(yùn)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(fèi)、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(fèi)、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(yùn)作上起關(guān)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(shè)必須重點(diǎn)考慮的問題研究目的：改善數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質(zhì)，優(yōu)化氣流組織分布，減少局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，實(shí)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(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)來改善數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質(zhì)。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(guān)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(jì)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(guān)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(jié)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(jī)械進(jìn)程，并模擬計(jì)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(guān)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(jī)柜和空調(diào)平行于機(jī)柜兩種方式對比，得出了單個空調(diào)垂直與機(jī)柜放置較好的結(jié)論。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀關(guān)于地板下?lián)醢宓难芯縁ulpagareY等[34]在此基礎(chǔ)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(jìn)入冷通道時的速度減少80%，進(jìn)而減少了冷空氣冷卻服務(wù)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(shè)有利擋板會減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，從而調(diào)節(jié)對應(yīng)進(jìn)入冷通道內(nèi)的風(fēng)量，使得冷通道內(nèi)的氣流更加均勻，增加氣流對機(jī)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(jié)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(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)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(jī)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(jī)房空調(diào)正向送風(fēng)、地板下送風(fēng)的氣流組織方案，主要研究數(shù)據(jù)中心空間幾何結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的實(shí)測分析與模擬方法驗(yàn)證根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際尺寸建立通道封閉的數(shù)據(jù)中心數(shù)值計(jì)算模型，并進(jìn)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(jié)果的初步結(jié)論，總結(jié)出現(xiàn)的熱環(huán)境問題及速度場、溫度場的分布特點(diǎn)。在原來模型的基礎(chǔ)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(fēng)道結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣流組織的影響。根據(jù)模擬結(jié)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(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，氣流組織合理的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型。對實(shí)勘數(shù)據(jù)中心子模塊進(jìn)行了實(shí)測分析。根據(jù)測量數(shù)據(jù)與第2章模擬結(jié)果的對比分析來驗(yàn)證CFD模擬所建模型、邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格劃分的合理性和準(zhǔn)確性，從而驗(yàn)證了優(yōu)化模擬結(jié)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(shè)定模擬結(jié)果分析數(shù)值模擬模型的建立空調(diào)平行于機(jī)柜，空調(diào)與冷通道在一條直線上空調(diào)平行于機(jī)柜，空調(diào)與熱通道在一條直線上；空調(diào)垂直于機(jī)柜，兩臺空調(diào)布置在一側(cè)空調(diào)垂直于機(jī)柜，兩臺空調(diào)分別布置在兩側(cè)數(shù)值模擬模型的建立假設(shè)：模型中保持服務(wù)器散熱量不變，設(shè)定服務(wù)器的數(shù)量為4，平均分配熱源散熱量，則每個服務(wù)器的散熱量為100W。機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的尺寸為800mm×500mm×350mm，到機(jī)柜前、后門距離分別設(shè)置為10mm和20mm，到左、右柜體距離均設(shè)為50mm，服務(wù)器到機(jī)柜底部、頂部的距離分別為150mm，服務(wù)器與服務(wù)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(jī)柜服務(wù)器模型邊界條件與初始值設(shè)定數(shù)值模擬初始值設(shè)定邊界條件設(shè)定參數(shù)數(shù)值模擬環(huán)境溫度（℃）28單臺空調(diào)風(fēng)量（m3/s）3.5空調(diào)送風(fēng)溫度（℃）18單臺服務(wù)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(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)扇機(jī)柜正、背面通風(fēng)口服務(wù)器體熱源穿孔地板多孔階躍模型模擬結(jié)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(jī)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(jié)果分析水平方向，靠近機(jī)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(dá)到峰值后隨著輸送距離的增加又開始逐漸減小，故靠近機(jī)房空調(diào)的3排機(jī)柜溫度較高。豎直方向，冷氣流在機(jī)柜底部開始擴(kuò)散，到機(jī)柜中部完成衰減，再加上熱氣流的浮升力導(dǎo)致機(jī)柜頂部溫度最高，出現(xiàn)局部過熱點(diǎn)。機(jī)房回風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)空調(diào)位置的研究空調(diào)位置的小結(jié)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

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(jié)擋板位置的優(yōu)化

擋板架設(shè)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(shè)擋板，目的是減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，從而調(diào)節(jié)對應(yīng)進(jìn)入冷通道內(nèi)的風(fēng)量，使得冷通道內(nèi)的氣流更加均勻，增加氣流對機(jī)柜的冷卻效率。“八字形”擋板可以促進(jìn)速度場均勻分布，以及提高冷空氣對機(jī)柜的冷卻效率。擋板角度的優(yōu)化

架設(shè)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(jìn)行研究。本文以空調(diào)中心線與遠(yuǎn)空調(diào)端壁面的交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，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(jié)靜壓層內(nèi)架設(shè)有效擋板有利于減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，使得冷空氣進(jìn)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(jī)柜的冷卻效率。而靜壓層內(nèi)的擋板若架設(shè)不當(dāng)，使得靜壓層內(nèi)存在多余的不利障礙物，從而導(dǎo)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(wù)器，嚴(yán)重會導(dǎo)致服務(wù)器溫度過高，發(fā)生宕機(jī)的現(xiàn)象。因此本文推薦最佳的靜壓層內(nèi)的擋板架設(shè)方式為“八字形”架設(shè)方式。靜壓層內(nèi)的擋板架設(shè)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(jìn)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(dāng)擋板角度為60°時，冷通道內(nèi)的氣流組織最佳，機(jī)柜溫度最均勻。5.數(shù)據(jù)中心氣流組織的試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)柜周圍氣流組織實(shí)測分析CFD模擬的可靠性驗(yàn)證機(jī)柜周圍氣流組織實(shí)側(cè)分析在機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)距離地板500mm、1000mm、1500mm高度位置測量氣流速度，在每個機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)距離地板500mm、1000mm、1500mm高度位置測量氣流溫度。為避免服務(wù)器散熱風(fēng)扇的氣流對測試數(shù)據(jù)的影響，在測試時測量點(diǎn)距離機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面、出風(fēng)面150mm。在一個測量點(diǎn)測量3~4個數(shù)據(jù)，取平均值為測量結(jié)果。2測點(diǎn)布置1數(shù)據(jù)中心子模塊實(shí)勘現(xiàn)場機(jī)柜周圍氣流組織實(shí)測分析實(shí)測儀器機(jī)柜周圍氣流組織實(shí)側(cè)分析A列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)的氣流速度折線圖A列機(jī)柜Z=0.5m高度平面機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)速度實(shí)測值與模擬值對比圖A列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)的氣流溫度折線圖

A列機(jī)柜Z=0.5m高度平面機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度實(shí)測值與模擬值對比圖CFD模擬的可靠性驗(yàn)證

CFD模擬結(jié)果圖像

實(shí)測紅外成像圖像5.結(jié)論與展望結(jié)論與展望結(jié)論情況下（1）通過CFD模擬空間幾何結(jié)構(gòu)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(jī)柜，空調(diào)均在一側(cè)的放置情況氣流組織最佳，在此基礎(chǔ)上在靜壓層內(nèi)架設(shè)“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(jī)柜溫度最低，氣流組織質(zhì)量最佳，熱環(huán)境品質(zhì)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(dǎo)致機(jī)柜局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，極大程度上增加了數(shù)據(jù)中心宕機(jī)的危險(xiǎn)，而有利的空調(diào)位置不僅會減少機(jī)柜局部過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，還會提高冷空氣冷卻IT服務(wù)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(dá)到節(jié)能的目的的前提下，推薦空調(diào)垂直與機(jī)柜，空調(diào)均在一側(cè)的放置形式。（3）靜壓層內(nèi)架設(shè)有效擋板有利于減少氣流水平流動方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，使得冷空氣進(jìn)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(jī)柜的冷卻效率。而靜壓層內(nèi)的擋板若架設(shè)不當(dāng)，使得靜壓層內(nèi)存在多余的不利障礙物，從而導(dǎo)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(wù)器，嚴(yán)重會導(dǎo)致服務(wù)器溫度過高，發(fā)生宕機(jī)的現(xiàn)象。因此本文推薦最佳的靜壓層內(nèi)的擋板架設(shè)方式為“八字形”架設(shè)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，