中心机房气流组织和温度计算方法与流程
本发明涉及空调制冷领域，具体涉及一种中心机房气流组织和温度计算方法。
背景技术：
数据中心机房专用空调属于工艺性空调，与舒适性空调存在明显差异。数据中心机房内设备散热量极大，热流密度较高，显热量占总能量的90％，几乎无潜热；舒适性空调的显热量一般只占总能量的60％～70％。因此，数据中心机房专用空调只需要考虑显热排除，无需考虑潜热问题，机房专用空调具有大风量、小焓差的特点。目前数据中心机房专用空调制冷的方式主要有三种：上送风方式、地板下送风方式、列间空调送风方式。上送风方式存在送风容易受物件影响、冷热空气短路现象、制冷效率低等缺点；下送风方式存在易聚集灰尘、送风不畅、制冷不均匀等缺点。相比于前两种送风方式，列间空调外型尺寸与通信行业标准机柜的外型尺寸协调，可任意放置于机柜排列中间或两端，解决了冷热气流短路的问题，保障了服务器机柜温度的均匀，降低了局部热点温度。
在决定采用哪一种空调送风方式前，先用仿真的方法进行数值模拟，针对具体情况进行具体计算，将最终得出的结果相互比较，选择最优的一种送风方式。这样可以在建立数据中心前就能知道数据中心散热情况与能耗大小，进而选择针对性方案，达到降低成本的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种中心机房气流组织和温度计算方法，其能方便快捷的计算出机房内的气流组织和温度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种中心机房气流组织和温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立中心机房的物理模型；
2)建立数值模型，获得给定的边界条件；
3)进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，若在误差范围内，则计算结束并获得中心机房气流组织和温度；若在误差范围以外，则分析原因，对物理模型和/或数值模型进行调整继续计算。
优选地，物理模型包括如下部件：中心机房的墙壁、冷通道、热通道、盲板、机柜、刀片机和空调；空调出风口排列在同一侧，冷通道处在出风口侧，即冷空气由出风口吹出，形成冷通道；空调回风口在机柜背部，冷空气由出风口吹出，穿过位于其一侧的机柜，回到回风口，热通道处于回风口侧；刀片机从距离机柜底部50mm处开始，每隔50mm布置一个，总数为20个；盲板处于机柜上部，在距离最上一层刀片机50mm处，加上盲板，防止热空气回流。
优选地，计算气流组织时，采用标准k-ε模型计算湍流；计算温度时，采用求解能量方程计算；电子元器件的散热计算时，采用牛顿冷却定律计算对流热换。
优选地，给定的边界条件包括：空调的送风口、回风口；中心机房的墙壁、机柜壁面；刀片机表面和机柜背部风扇压力阶跃值。
优选地，物理模型的尺寸为：机房长×宽×高：5400mm×2350mm×2400m；机柜外壳长×宽×高：1000mm×600mm×2050mm；刀片机长×宽×高：800mm×600mm×50mm；空调送风口长×宽：400mm×800mm；冷通道长×宽×高：5400mm×800mm×2400m；热通道长×宽×高：5400mm×550mm×2400mm。
优选地，数值模型中，标准k-ε模型具体计算公式如下：
模型中ε定义为：
湍动粘度μt定义为：
湍流脉动动能k方程：
湍流耗散率ε方程：
式中，c1ε、c2ε、c3ε为经验常数，值分别为1.44、1.92、0.09；σk、σε分别为湍动能和湍动能耗散率对应的普朗特数，值分别为1.0、1.3；
数值模型中，能量方程计算如下：
式中，μt为湍流黏性系数(pa·s)；sh为体积热源源项；pr为湍流普朗特数；
数学模型中，对流热换计算采用公式如下：
qα＝αa(tw-tf)
qα＝αa(tw-tf)
式中，qα为单位间内的对流热换量(w)，qα为单位时间单位面积的对流热换量(w/m2)，tw为固体壁面温度(℃)，tf为流体温度(℃)，α为对流热换系数(w/(m2·℃))，a为对流热换面积(m2)。
优选地，给定的边界条件的如下：送风口风速2m/s、温度为18℃、湍动能为0.0191、湍动能耗散率为0.01162；回风口压力2pa；墙壁初始温度为18℃；机柜壁面和盲板为无滑移绝热壁面；刀片机表面面热流密度为250(w/m2)；机柜背部风扇压力阶跃值为6pa；机柜前边的铁网采用多孔阶跃模型来模拟；
机柜背部的风扇模数值模型为：
其中，δp是压力阶跃，fn压力阶跃多项式系数，v是垂直于风扇的最大流体速度。
机柜前边的铁网的多孔阶跃模型为：
式中，c2可由经验公式得出：
式中，dx为多孔板厚度，取值为2mm；
本发明的工作原理为：
建立数值模型中心机房满足以下要求时，可对中心机房进行仿真：
(1)空调房间气流视为稳态湍流，空气流速较小；
(2)空调房间气密性良好，门窗漏风影响较小，可忽略；
(3)空调房间气流流场的湍流粘性视为具有各向同性；
(4)空调房间气流的流动为低速不可压缩，故由流体粘性力做功引起的耗散热影响较小，可忽略；
(5)空调房间空气符合boussinesq假设，即流体密度的变化仅对浮升力产生影响，考虑浮升力的影响；
(6)为了简化问题，忽略墙体、内热源之间的辐射换热；
(7)空气的相对湿度对室内气流组织影响很小，可忽略。
本发明的有益效果为：其能方便快捷的计算出机房内的气流组织和温度。
附图说明
图1是本发明的仿真计算方法的流程图；
图2是实施例中进行数值测量的点的位置示意图；
图3是中心机房物理模型模型的示意图。
其中，图3中：11、出风口；12、盲板；13、回风口；14、机房；15、刀片机；16、风扇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种中心机房气流组织和温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立中心机房的物理模型；
2)建立数值模型，获得给定的边界条件；
3)进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，若在误差范围内，则计算结束并获得中心机房气流组织和温度；若在误差范围以外，则分析原因，对物理模型和/或数值模型进行调整继续计算。
物理模型包括如下部件：中心机房14的墙壁、冷通道、热通道、盲板12、机柜、刀片机15和空调；空调出风口11排列在同一侧，冷通道处在出风口11侧，即冷空气由出风口11吹出，形成冷通道；空调回风口13在机柜背部，冷空气由出风口11吹出，穿过位于其一侧的机柜，回到回风口13，热通道处于回风口13侧；刀片机15从距离机柜底部50mm处开始，每隔50mm布置一个，总数为20个；盲板12处于机柜上部，在距离最上一层刀片机1550mm处，加上盲板12，防止热空气回流。
计算气流组织时，采用标准k-ε模型计算湍流；计算温度时，采用求解能量方程计算；电子元器件的散热计算时，采用牛顿冷却定律计算对流热换。
给定的边界条件包括：空调的送风口、回风口；中心机房的墙壁、机柜壁面；刀片机表面和机柜背部风扇压力阶跃值。
物理模型的尺寸为：机房长×宽×高：5400mm×2350mm×2400m；机柜外壳长×宽×高：1000mm×600mm×2050mm；刀片机长×宽×高：800mm×600mm×50mm；空调送风口长×宽：400mm×800mm；冷通道长×宽×高：5400mm×800mm×2400m；热通道长×宽×高：5400mm×550mm×2400mm。
数值模型中，标准k-ε模型具体计算公式如下：
模型中ε定义为：
湍动粘度μt定义为：
湍流脉动动能k方程：
湍流耗散率ε方程：
式中，c1ε、c2ε、c3ε为经验常数，值分别为1.44、1.92、0.09；σk、σε分别为湍动能和湍动能耗散率对应的普朗特数，值分别为1.0、1.3；
数值模型中，能量方程计算如下：
式中，μt为湍流黏性系数(pa·s)；sh为体积热源源项；pr为湍流普朗特数；
数学模型中，对流热换计算采用公式如下：
qα＝αa(tw-tf)
qα＝α(tw-tf)
式中，qα为单位间内的对流热换量(w)，qα为单位时间单位面积的对流热换量(w/m2)，tw为，固体壁面温度(℃)，tf为流体温度(℃)，α为对流热换系数(w/(m2·℃))，a为对流热换面积(m2)。
给定的边界条件的如下：送风口风速2m/s、温度为18℃、湍动能为0.0191、湍动能耗散率为0.01162；回风口压力2pa；墙壁初始温度为18℃；机柜壁面和盲板为无滑移绝热壁面；刀片机表面面热流密度为250(w/m2)；机柜背部风扇16压力阶跃值为6pa；机柜前边的铁网采用多孔阶跃模型来模拟；
机柜背部风扇模数值模型为：
其中，δp是压力阶跃，fn压力阶跃多项式系数，v是垂直于风扇的最大流体速度。
机柜前边的铁网的多孔阶跃模型为：
式中，c2可由经验公式得出：
式中，dx为多孔板厚度，取值为2mm；
建立数值模型中心机房满足以下要求，
(1)空调房间气流视为稳态湍流，空气流速较小；
(2)空调房间气密性良好，门窗漏风影响较小，可忽略；
(3)空调房间气流流场的湍流粘性视为具有各向同性；
(4)空调房间气流的流动为低速不可压缩，故由流体粘性力做功引起的耗散热影响较小，可忽略；
(5)空调房间空气符合boussinesq假设，即流体密度的变化仅对浮升力产生影响，考虑浮升力的影响；
(6)为了简化问题，忽略墙体、内热源之间的辐射换热；
(7)空气的相对湿度对室内气流组织影响很小，可忽略。
测量点风速和温度值实验结果与计算结果见下表
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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