基于通道隔离行式空调的导风栅行为

徐咏梅， 王洪玲， 唐 坚， 杜 兰， 焦 容， 徐立群

(1.暨南大学 管理学院，广东 广州 510632;2.暨南大学 理工学院，广东 广州 510610;3.中国移通信集团广东分公司，广东 广州 510640;4.华为技术有限公司，广东 深圳 518129)

随着数据中心高密化的趋势，数据中心的散热量急剧加大，热流密度越来越高，作为数据中心热管理主要设备的空调系统已经成为数据中心主要的用电设备，在满足数据中心工作环境要求的前提下，最大量地节约空调系统的能耗已经成为迫在眉睫的要求.

数据中心采用冷、热通道分离，可有效地将冷、热空气分区，避免前排机柜排出的热空气与冷空气混合进入后排机柜导致制冷效果降低［1］;减小冷空气回流和冷、热空气局部短路造成的冷量耗散［2-3］，节约能耗，降低PUE值(power usage effectiveness，数据中心能源利用效率)［4］.采用行式(In-Row)空调［5］能够实现近端制冷，有效地吸收服务器的散热量，减少冷量损失和制冷能耗.行式空调与冷、热通道分离相配合能够提高制冷效率和散热量，避免热点产生，适用于高密高热数据中心［6］.

数据中心内良好的气流组织是提高制冷效率的必要条件，简弃非［7］、杨苹［8］、魏蕤［9］等利用 CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)模拟和实验研究了采用中央空调制冷的数据中心气流组织的分布特点，并设计了数据中心送回风的最佳调配方案;Jinkyun Cho等［10］分析了采用精密空调在不同送风形式下数据中心内的气流分布和热交换特点;Abdelmaksoud.W.A 等［11］研究了采用地板下送风情况下，不同形式的穿孔地板对数据中心气流组织的影响.导风栅是空调进行气流组织的重要部件，张智［12］、陈常念［13］、吴丹尼［14］等采用数值模拟或实验研究的方法分析了舒适性空调使用环境中导风栅对气流组织的优化作用.但目前，在行式空调配合冷、热通道分离情况下，导风栅对数据中心内气流分布特性影响的研究还未进行;本实验利用CFD技术［15］，研究了不同导风栅的结构参数对气流的影响，并获得最佳的导风栅结构参数.

1 数值模型

1.1 应用场景及模型

行式空调与冷/热通道分离相配合使用，可实现近端制冷，提高制冷效率，解决高热流密度的服务器机柜的散热问题.本研究的行式空调的应用场景如图1所示:每排设备由5台机柜和5台行式空调组成，其中3台机柜在2台行式空调中间，剩余2台机柜在行式空调一侧;行式空调面对面布局，送风端在冷通道内;相邻两排的4台行式空调为10台服务器机柜提供冷量.行式空调的尺寸为:长×宽×高=1 000 mm×600 mm×2 000 mm，机柜的尺寸为:长×宽×高=1 000 mm×600 mm×2 000 mm，冷通道的宽度1 000 mm，热通道的宽度700 mm.

图1 行式空调应用场景图Fig.1 The application scene of In-Row air conditioner

利用CFD软件模拟使用行式空调的数据机房内的气流分布，如图2所示:图中粗虚线代表机柜框架，机柜内刀片服务器插在两块挡板中间.行式空调的送风端设为入口边界，分别为入口边界1～4;行式空调的回风端设为出口边界，分别为出口边界1～4.在每台机柜内设置内热源，代表刀片服务器的散热量.每台机柜的出风面设为测温面，用来分析机柜的散热性能，分别为测温面1～10.模型的上下边界为周期性边界面，而其他面均设置为壁面边界，热通道的宽度为实际宽度的一半.

图2 数值模型结构简图Fig.2 The structure diagram of numerical model

1.2 控制方程及边界条件

本模型内的空气流动为湍流，采用k-ε湍流模型.机房内的空气可看作是不可压缩流体、满足Boussinesq假设，以忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热，并认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响.模型利用CFD软件fluent进行数值模拟，用控制容积法离散Navier-Stokes微分方程组进行计算，用速度压力偶合方程并采用SIMPLE算法求解.同时，扩散项采用中心差分的离散格式，动量方程与能量方程的离散格式选用二阶迎风格式.而Fluent则选用已标定残差来控制方程的收敛精度，使模拟时各残差计算的曲线都趋水平态势，以确保各个参数值的稳定性.

计算过程中不考虑行式空调的内部流场，但由于行式空调风机较多，故出风口送风分布均匀.另外，送风口即入口边界为速度进口边界条件，并附有温度20℃;回风口即出口边界为压力出口边界条件;其余壁面边界均为固壁无滑移绝热壁面边界.

2 结果分析

2.1 无导风栅时流场分析

行式空调无导风栅时，每个温度监测面上的平均温度如表1所示.从表1中可以看出，各个机柜出口的温度差异较大，最高温较最低温高7.9 K，其中最低温出现在机柜1和机柜10，最高温出现在机柜5和机柜6.为更清楚地说明温度分布，沿离机柜地面1 m处截取速度矢量图(下文中的速度矢量图均在1 m高处截取)，见图3.无导风栅时，行式空调3和2送出的冷风优先吹向机柜1和10，少部分流向机柜2和9.这样造成机柜1和10出风温度较低，且空调3与空调1送出的冷风在机柜6前方会形成较大的漩涡，影响机柜6的送风量，造成其出口温度较高.同理，机柜5出风温度也较高.同样，空调1与空调4的送风在机柜3及8前方形成较大的漩涡，使得空调1送风优先吹向机柜7，机柜8则获得较少的风量，出风温度相对偏高.因此可以得出:在无导风格栅时，空调倾向于为正对的机柜送风，并且空调之间的送风比较容易形成漩涡，影响了非正对机柜的进风，使得送风不均，从而形成局部热点.

表1 无导风栅时各测温面的平均温度Table1 The average temperature of each surface without air deflector l=50 mm

图3 行式空调无导风栅时速度矢量图Fig.3 The velocity vector of In-Row air conditioner without air deflector

2.2 有导风栅时流场分析

为解决无导风栅时空调不均匀送风问题，本实验在行式空调的送风端安装导风栅，其俯视结构如图4所示.假定格栅的宽度为l，格栅与水平夹角为α.在行式空调中，由于空间的限制，格栅的宽度和夹角有较大的限制，而不同格栅宽度l及夹角α对导风效果有不同的影响，对此，本实验研究了不同l和α下，数据机房内气体的流场和温度场的分布情况.

图4 导风栅结构简图Fig.4 The structure diagram of air deflector

(1)格栅夹角对流场的影响 在分析格栅夹角对流场的影响时，将宽度l固定为75 mm，将夹角α分别设定为 30°、45°、60°、75°、85°;该条件下，可以计算出10个测温面上的平均温度，如表2所示.从表2中可看出，格栅夹角较小时，各个机柜出口温差相差很大.例如当 α=30°时，最大温差为21.6 K，并且此时冷量分布很不均匀，机柜1、4、7、10的出风温度较低，而机柜3、6、8却出现过热现象.而随着α的增加，各个机柜的温差明显减小.当α=75°时气流组织达到最优，各个机柜的温差最小，最大温差也只有3.7 K.但α若继续增大，各个机柜的温差会再次变大.随着α的变化，各个机柜的换热效果变化很大，说明α对流场分布有很大影响，因此在设计导风栅时要优先考虑α的取值.

表2 l=75 mm时不同格栅夹角下各测温面的平均温度Table2 The average temperature of each surface in different grille angle when l=75 mm

当α=30°时，如图5所示:由于送风方向与水平方向的夹角较小，从行式空调1和2送出的冷风会越过其相邻机柜2、3和5，直接流入机柜1和4，造成机柜2、3和5获得的冷空气量较小、出口温度过高;而机柜1和4获得的风量较大，被过度冷却，出风温度较低.由于同样原因造成下排的机柜6、8和9获得风量较小，出风温度较高.而当α=75°时，如图6所示，各个机柜能够获得的风量差别不大，使得各个机柜能够被均匀冷却，说明此时行式空调的出风方向最合适，各个机柜都获得了有效的散热，避免了局部热点的产生.

图5 α=30°时速度矢量图Fig.5 The velocity vector when α =30°

图6 α=75°时速度矢量图Fig.6 The velocity vector when α =75°

(2)格栅宽度对流场的影响 在分析格栅宽度对流场影响时，此处将夹角α定为75°，将宽度l分为50、75、100、125、150 mm;该条件下，计算得出的10个各测温面上的瓶颈温度见表3所示.从表中可以看出，随着格栅宽度的增大，各个机柜测温面上的温度之差先减小后增大，当l=100 mm，各个机柜的温度最均匀，气流组织效果最好，且温差总体上变化不大，这说明格栅的宽度对流场的影响较夹角小.

表3 α=75°时不同导风栅宽度下测温面的平均温度Table3 The average temperature of each surface in different width of air deflector when α =75°

从图7和图8可以看出，宽度从50～100 mm变化时，格栅对流场影响较小.空调吹出的冷风均送往对面的机柜，格栅宽度的变化仅仅影响各个机柜风量的分配，当宽度为100 mm时，各机柜风量分配最均匀.当格栅宽度增大至150 mm时，格栅对流场有较大的改变作用.如图9所示，空调吹出的大部分冷风不再送往对面的机柜，而被周边同排的机柜吸走，送往机柜的风量重新进行了分配，各机柜均匀性相对降低.因此，格栅宽度也影响机柜的风量分配，当宽度为100 mm时，机柜风量均匀性最好.

图7 l=50 mm时速度矢量图Fig.7 The velocity vector when l=50 mm

图8 l=100 mm时速度矢量图Fig.8 The velocity vector when l=100 mm

图9 l=150 mm时速度矢量图Fig.9 The velocity vector when l=150 mm

3 结论

利用CFD技术对行式空调数据机房进行模拟分析能够优化气流组织形式，提高冷空气的利用率和机柜的散热效率，降低空调所需能耗.通过本实验发现:行式空调未安装导风栅时，气流分布不均匀，局部区域冷空气流量较小，服务器机柜出风温度较高，机柜内容易产生局部热点;在行式空调送风口处安装导风栅能够使得冷空气分布更均匀，保证每个机柜都能获得足够的冷量;随着格栅夹角α的增大，各个机柜的出风温差先减小后增大;随着格栅厚度l的增大，各个机柜的出风温差同样先减小后增大;当α=75°，l=100 mm时，各个机柜的温差最小，气流组织效果最优，冷量分布最均匀，机房能够获得最佳的散热效果.

［1］ 张雷霆.通信机房空调节能的思考［J］.通信电源技术，2009，26(2):65-67.

［2］ HANNAFORD Peter.Top ten cooling solutions to support High-Density server deployment［R］.APC White Paper#42，2004.

［3］ NIEMANN J，BROWN K，AVELAR V.Impact of hot and cold aisle containment on data center temperature and efficiency［R］.Schneider Electric Data Center Science Center，APC White Paper 135 Rev.2，2011:1-14.

［4］ 傅烈虎，丁麒钢.封闭通道后数据中心的PUE分析［J］.智能建筑与城市信息，2010(8):21-24.

［5］ DUNLAP，KEVIN，NEIL Rasmussen.The Advantages of row and Rack-Oriented cooling for data centers［R］.APC White Paper#130，2006.

［6］ KWOK WU.A comparative study of various high density data center cooling technologies［D］.New York:Stony Brook University，2008.

［7］ 简弃非，魏 蕤，颜永明，等.通信机房气流组织的模拟与分析［J］.节能技术，2009，153(27):35-39.

［8］ 杨 苹，肖 莹，简弃非，等.通信机房的气流组织特性与空调冷量调配方案［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2009，37(11):107-111.

［9］ 魏 蕤，简弃非，杨 苹.空调布局对数据机房内热环境影响的试验与仿真研究［J］.暖通空调，2010，40(7):91-94.

［10］ JINKYUN CHO，TAESUB LIM，BYUNGSEON SEAN KIMK.Measurements and predictions of the air distribution systems in high compute density(Internet)data centers［J］.Energy and Buildings，2009，41(10):107-115.

［11］ ABDELMAKSOUD W A，DANG T Q，KHALIFA H E，et al.Perforated tile models for improving data center CFD simulation［C］.Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems(Therm)-2012 13th IEEE Intersociety Conference on，2012:60-67.

［12］ 张 智，刘志刚.空调制冷/制热时室内气流及温度分布数值研究［J］.工程热物理学报，2002(4):457-460.

［13］ 陈常念，韩吉田，陈文文.小型热电装置制冷特性及人体热舒适性研究［J］.节能，2009(2):14-16.

［14］ 吴丹尼，陈 伟，梁建中，等.空调机制冷运行时室内温度场及温降速率的实验研究［J］.建筑科学，2006，22(5):54-58.

［15］ 彭荣强.太阳辐射下车辆内外温度场数值模拟［J］.暨南大学学报:自然科学版，2008，29(1):20-24.