模块化数据中心气流组织和温度的计算方法与流程

本发明涉及空调制冷技术领域，具体涉及一种模块化数据中心气流组织和温度的计算方法。

背景技术：

数据中心是集中处理，存储，传输，交换和管理信息的物理空间。随着微电子技术和芯片集成技术的发展，封装密度和工作频率的提高，计算机服务器的热通量密度迅速增加。在云计算数据中心中，单个机架的功耗可达10kw。服务器的可靠性和服务时间与其工作温度有关，装置过热会严重影响其稳定性和可靠性。科学的空调系统气流组织是满足数据中心温度要求的有效途径。传统温度控制解决方案的功耗占数据中心总功耗的40％至50％，数据中心在许多发达国家中是最大的能源消耗设施之一。如何降低数据中心的功耗，降低pue值，打造节能环保的数据中心成为运营商迫切需要研究的重要课题。

用于高密度数据中心的服务器通常是刀片服务器，每个服务器的大小和消耗都是固定的。冷空气从出风口出发，经过刀片机表面，与之进行热量交换后，将热量带走，这种热交换方式被称为对流换热。因此，空调的冷却效率取决于气流的分布。对数据中心气流组织进行优化的同时，温度分布情况也会得到改善。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模块化数据中心气流组织和温度的计算方法，其计算结果较为精准。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种模块化数据中心气流组织和温度的计算方法，包括以下步骤：

步骤1，建立模块化数据中心几何模型；

步骤2，建立模块化数据中心数值模型，并且给定边界条件；

步骤3，进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，验证其正确性；

步骤4，调整影响气流组织和温度的因素，进行计算，分析比对计算结果与实验结果，再继续调整直到计算结果与实验结果在允许的误差范围内。

优选地，步骤1建立的几何模型包括如下结构：墙壁、冷通道、热通道、盲板、机柜、机柜背部风扇、刀片机、空调。

优选地，步骤2建立的数值模型包括：气流组织的计算和温度的计算；气流组织计算采用标准模型；温度的计算采用对流热换模型。

优选地，步骤2中，边界条件包括：送风口；回风口；墙体、机柜壁面；刀片机表面和机柜背部风扇。

优选地，步骤3中，计算结果包括气流组织和温度；截取不同高度的温度分布情况与实验结果进行对比，验证其正确性。

优选地，步骤4中，调整影响温度的因素包括：冷、热通道封闭程度；冷、热通道的距离；风速；风速方向；送风温度；机柜内部布局；机柜和空调的相对布局。

优选地，步骤4中，分析比对计算结果与实验结果中，截取同一高度上不同位置的温度进行对比，用以体现横向温度的分布均匀程度；截取不同高度上的截面，取每一个截面上的最高温度，用以体现纵向温度分布均匀程度。

优选地，所述能量方程如下：

；

式中，为湍流黏性系数（）；为体积热源源项；为湍流普朗特数。

优选地，所述对流热换计算公式如下：

；

；

式中，为单位间内的对流热换量，为单位时间单位面积的对流热换量，为固体壁面温度，为流体温度，为对流热换系数，为对流热换面积。

优选地，机柜背部的风扇模数值模型为：

；

其中，是压力阶跃，压力阶跃多项式系数，是垂直于风扇的当地最大流体速度。

本发明中，

步骤2建立数值模型需要满足以下要求：

(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。

冷热通道，可以选择封闭冷通道，封闭热通道或者两者都封闭，在实际情况允许范围内，可以增加或减少冷热通道的宽度；所述风量的控制，不是风量越大越好，风量增大实际上就是风速的增大，因为空调冷风出口的大小是固定的，风速增加的同时会增加能耗，并且速度过大并不利于热源与冷空气进行充分的热量交换；所述送风的方向，根据实际情况可以通过增加导流板，对送风方向进行调整；所述机柜内部改造，可以对影响气流分布的部分结构进行改造，比如可以对机柜壁面进行通孔处理、在空白处加挡板等；所述机柜与空调的相对位置，机柜与空调间一般采用交错布置，空调与空调的相对布局，可以正对也可以斜对。

影响气流组织分布的因素较多，所以采用控制变量的方法，先改变其中一个因素得出计算结果，根据结果再调整某个因素，继续得出结果，然后再分析，这样一步步进行优化。

附图说明

图1本发明计算方法的过程流程图。

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。

本发明具体实施的技术方案是：

一种模块化数据中心气流组织和温度的计算方法，包括以下步骤：

步骤1，建立模块化数据中心几何模型；

步骤2，建立模块化数据中心数值模型，并且给定边界条件；

步骤3，进行数值计算，将计算结果与实验结果对比，验证其正确性；

步骤4，调整影响气流组织和温度的因素，进行计算，分析比对计算结果与实验结果，再继续调整直到计算结果与实验结果在允许的误差范围内。

步骤1建立的几何模型包括如下结构：墙壁、冷通道、热通道、盲板、机柜、机柜背部风扇、刀片机、空调。

步骤2建立的数值模型包括：气流组织的计算和温度的计算；气流组织计算采用标准模型；温度的计算采用对流热换模型。

步骤2中，边界条件包括：送风口；回风口；墙体、机柜壁面；刀片机表面和机柜背部风扇。

步骤3中，计算结果包括气流组织和温度；截取不同高度的温度分布情况与实验结果进行对比，验证其正确性。

步骤4中，调整影响温度的因素包括：冷、热通道封闭程度；冷、热通道的距离；风速；风速方向；送风温度；机柜内部布局；机柜和空调的相对布局。

步骤4中，分析比对计算结果与实验结果中，截取同一高度上不同位置的温度进行对比，用以体现横向温度的分布均匀程度；截取不同高度上的截面，取每一个截面上的最高温度，用以体现纵向温度分布均匀程度。

能量方程如下：

；

式中，为湍流黏性系数（）；为体积热源源项；为湍流普朗特数。

对流热换计算公式如下：

；

；

式中，为单位间内的对流热换量，为单位时间单位面积的对流热换量，为固体壁面温度，为流体温度，为对流热换系数，为对流热换面积。

机柜背部的风扇模数值模型为：

；

其中，是压力阶跃，压力阶跃多项式系数，是垂直于风扇的当地最大流体速度。

本发明中，

步骤2建立数值模型需要满足以下要求：

(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。

冷热通道，可以选择封闭冷通道，封闭热通道或者两者都封闭，在实际情况允许范围内，可以增加或减少冷热通道的宽度；所述风量的控制，不是风量越大越好，风量增大实际上就是风速的增大，因为空调冷风出口的大小是固定的，风速增加的同时会增加能耗，并且速度过大并不利于热源与冷空气进行充分的热量交换；所述送风的方向，根据实际情况可以通过增加导流板，对送风方向进行调整；所述机柜内部改造，可以对影响气流分布的部分结构进行改造，比如可以对机柜壁面进行通孔处理、在空白处加挡板等；所述机柜与空调的相对位置，机柜与空调间一般采用交错布置，空调与空调的相对布局，可以正对也可以斜对。

影响气流组织分布的因素较多，所以采用控制变量的方法，先改变其中一个因素得出计算结果，根据结果再调整某个因素，继续得出结果，然后再分析，这样一步步进行优化。

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。