大型电子设备机架气流分解方法研究

翁夏

（西南电子技术研究所，成都 610036）

近年来，综合化电子设备机架的规模越来越大，且其中的热耗也存在不断上升的趋势。由于平台的限制和可靠性的要求，这一类的机架越来越多地采用穿通强迫风冷的散热方式：即使用自带风机，将强迫风引至机架内部的模块表面，对各模块进行冷却。由于机架设备总体的供给风与各模块接受到的冷却风之间存在强耦合的关系，因此设备总体难以将分解后的供风边界条件提供给模块研发团队，从而导致在研发过程中，模块热设计存在多轮迭代的现象。文中将对设备供给风和模块接受风之间的关联进行解耦分析，并通过研究得到一种工程化的气流分解方法。

对于大型机架简化分析的问题，Jeffrey Rambo等[1]从数值分析的角度，给出了机架级的紧凑模型可有效描述全尺寸跨尺度数据中心的结论。针对狭窄通道的换热问题，已有部分学者对此进行了相关研究。王增辉等[2]拟合得到了过热气在环形狭缝中的换热公式。Liu Jiazeng 等[3]在方形通道内对蒸汽的传热进行了研究，得到了半经验关联式。Tae Seon Park[4]采用了数值模拟的方式，研究了不同板间距对倾斜状态平板换热的影响。另外，Shricant D (Londhe)等[5]和Turkoglu H 等[6]分别针对分布热源的竖直通道展开了研究，阐述了热辐射对混合对流的影响，得到了换热效果与Re 数、Gr 数的关联趋势。Omer F Can[7]使用数值模拟的方式，给出了流体流经通道非圆形障碍物的关联式。Eric Salcedo 等[8]使用二维数值模拟的方式，研究了多种物理参数的变化对混合对流传热的影响。

1 分解方法与原理

由于在大型电子设备机架中，不利于直接进行模块级的测试和试验（尤其是研发初期的测试），因此应设计一种小型测试夹具，并使得被测模块在该夹具中受到与放置在大型机架中相同的冷却效果，如图1所示。

图1 分解示意

根据相似原理，凡是彼此相似的现象，都有一个十分重要的特性，即描写该现象的同名特征数（即准则数）对应相等[9]。根据牛顿冷却公式，对流换热的热流密度可表达为：

式中：h 为对流换热系数；Δt 为传热温差。

Nu 数（努赛尔数）的定义为：

式中：l 为特征长度；λ 为流体导热系数。因此，相似对流传热现象的Nu 数应相等。

在大型电子设备机架和小型风冷测试夹具中，冷却空气流动的路径可近似为狭缝中的强迫对流。Novikov P A 等[10]提出了狭缝中湍流条件下的换热关联式，当Re＞5 600 时，有：

式中：Re 为雷诺数；Kl为入口段修正系数，其数值根据表1 进行确定（当Re 在5 600～32 000 之间时）。

由此，只要保证分解夹具中被测模块两侧冷却风的Nu 数与大型机架中相等，则两者具有相同的传热特性。由于Kl是常数，因此为了保证相同的Nu数，必须保证Re 数相等。因此，需要保证狭缝中的空气流速和狭缝特征长度相等。由于气流狭缝是由被测模块与其附近模块的间隙共同形成的，在间隙宽度相等的情况下，只要保证分解夹具和大型机架模块间的空气流速相等（在截面积固定的前提下，即保证间隙中的流量相等），即可保证两者的换热效果相当。

表1 Kl 与狭缝尺寸的关联

大型风冷机架在设计上往往采取静压腔的方式进行流量分配，各流道的流量较为一致。因此，设大型机架具有n1条风道，分解夹具具有n2条风道，则分解夹具需求的风量为：

2 流量计算

2.1 测试接口设计

以某大型综合机架作为研究对象，为了对比各种测试接口的异同，分别设计了常规、渐扩和渐缩三种结构的接口，如图2 所示。接口的一段与大型机架的出风口连接，另一端与流量计连接。

2.2 测试接口流动仿真

使用FloTHERM 软件，采用有限体积法（FVM）对包含模块、风机组和测试接头的大型机架进行流动仿真。在有限体积法中，将计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来导出离散方程[11]。有限体积法主要通过三大守恒定律来计算网格中的各物理量。

1）质量守恒方程（连续性方程）：

2）动量守恒方程（Navier-Stokes 方程）：

图2 测试接口

u-动量方程

v-动量方程

w-动量方程

3）能量守恒方程：

本仿真采用Automatic Algebraic 湍流模型进行计算。该模型属零方程Reynolds 涡粘模型。Automatic Algebraic 湍流模型由FloTHERM 软件自动计算湍动黏度。软件会计算每一个网格内的特征长度，湍动黏度取决于网格内的特征长度和速度[12]。

该机架共含有17 条流道，采用了6 台J70FZW522-40G 型风机进行散热。仿真CFD 模型如图3 所示，单台风机曲线如图4 所示。

图3 仿真CFD 模型

图4 J70FZW522-40G 型风机P-Q 曲线

流量仿真结果见表2。安装常规测试接口时，总流量为394m3/h；安装渐扩测试接口之后，总流量为408 m3/s；安装渐缩测试接口之后，总流量为396m3/s。根据仿真结果，采用流量衰减相对较小的渐扩测试接口进行测试。

2.3 实际流量推算

按照局部压力损失公式[13]，该测试接头的局部流阻为：

表2 风机工作流量

突然收窄处的局部流阻为（收缩截面面积比A0/A1=0.022，ζ=0.49）：

因此，有：

代入本案例中的数据，可得Δpc=81 Pa。6 台J70FZW522-40G 型风机并联后的压力-流量曲线如图5 所示。通过测试，得出风量，将其标在曲线上可得出压力p1,T。由于测试系统比实际系统多出了测试夹具的流阻 Δpc，因此可得实际流阻为：p1=p1,T-Δpc。将p1标注在曲线上，即可得到实际流量= 583 m3/h。

图5 6 台J70FZW522-40G 型风机并联后的压力-流量曲线

3 分解夹具设计及计算

在本案例中，采用具有4 条流道的分解夹具。根据式（4），可得到分解夹具所需要的流量= 137 m3/h。选用两台J70FZW510-40G 型风机，对分解夹具进行仿真。在此过程中，通过对流道的优化设计，调整分解夹具的风量，使其接近于2V˙。通过流动仿真，可得分解夹具中各风机的工作点见表3。

表3 分解夹具中各风机工作点

此时，分解夹具中的工作流量与实际流量几无差异，可以认为两者中的被测模块周围的对流相似。由于两者的传热效果相同，可以使用分解夹具来测试被测模块的传热特性。

4 结语

文中通过相似对流的方式，对大型电子设备机架的风冷气流进行了形式和数值上的分解，使得实际工程中的模块热测试工作得到了简化。简化的主要流程为：将包含了测试接口的大型机架进行流动仿真，选择流阻相对较小的接口进行测试；在大型机架上加装测试接口，对其工作流量进行测试；计算测试接口的流阻；在风机曲线上得到实际机架的流阻与流量；计算分解夹具的工作流量；对分解夹具进行优化设计，通过迭代仿真的方式，确定最接近于其设计工作流量的结构形式；将被测模块安装在分解夹具中，即可得到与大型机架相同的传热环境。简化后，各模块研发团队可使用分解夹具对模块进行热测试，并得到与在大型机架中进行测试相似的结果。