基于热对流定律的海底数据中心散热优化设计

王菲 魏萍 梁家豪

摘要：海底数据中心项目不仅无须占用陆上资源，还能节约能源，是一种绿色可持续发展的大数据中心解决方案。为此，将数据中心的实际散热问题简化为平面热流模型，通过确定边界条件将流体力学问题转化为线性规划模型，利用Matlab求解得到IU服务器的最优个数范围，同时利用Workbench中瞬态热力学模块进行IU服务器的最优个数分析检验，解决了数据中心的散热问题。

关键词：热对流定律；能量方程；Workbench

中图分类号：TP308文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）35-0040-04

Thermal Optimization Design of Subsea Data Center Based on the Law of Thermal Convection

WANG FeiWEI PingLIANG Jiahao（Shandong University of Science and Technology， Resource College， Taian Shandong 271019）

Abstract： The subsea data centre project not only eliminates the need for land-based resources， but also save energy consumption， which is a completely green and sustainable solution for large data centers. For this ， the actual heat dis？ sipation problem of the data center is simplified into a planar heat flow model， and the hydrodynamic problem is transformed into a linear programming model by determining the boundary conditions， and the optimal number range of iu servers is obtained by using Matlab solution. Further， the optimal number of iu servers is analytically checked using the transient thermodynamics module in Workbench，the heat dissipation problem of the data center is settlecd.

Keywords： thermal convection law；energy equation；Workbench

1研究背景

据相关统计，全球数据中心每年消耗的电量占全球总电量的2%左右，然而其中能源消耗的成本占全行业的30%～50%，尤其是电子元器件散热所耗能量占比巨大。海底数据中心项目（Project UDC）的原理是将服务器等互联网设施安装在具有冷却功能的海底密闭的压力容器件中，用海底复合缆供电将数据回传；至互联网海底数据中心与海水进行热交换，利用大量海水的流动对服务器等互联网设施进行散热，有效节约了能源。与此同时，海底数据中心对陆地占用极少，没有冷却塔，也无须淡水消耗，既能够包容海洋牧场等生态类活动，又能够与海上石油平台等工业类活动互相服务。将数据中心部署在沿海城市的附近水域，能夠有效缩短数据与用户的距离，不仅无须占用陆上资源，还能节约能源消耗，是一种绿色可持续发展的大数据中心解决方案。

2基于热对流定律的服务器基础模型

2.1数学化处理

由于所研究的物体长宽远大于其厚度，可以近似认为它是一块无限大的平板，即认为其在热传导过程中，长度和宽度的边缘对板四周的传热造成温度变化影响极小，将传热问题在空间角度上仅看作厚度的函数，将热传导过程简化为一维热传导问题。于是将其抽象和简化为长方体薄片，建立如图1所示的坐标系。

但是，本研究中由于高温热源与低温热源之间的温差不是很大，故而认定其热传导系数、密度、热容以及厚度均不变。

其中，A为服务器内部，B为服务器与集装箱之间的空气层，且三层与外界环境接触。分别将A、B、C层记为三层介质。

2.2物理背景

热力学过程有3种基本传热方式。热传导是指微观粒子热运动而产生的热能传递，固、液、气内部传热均存在热传导，主要基于傅里叶定律计算；热对流是指由流体宏观运动引起的热量传递过程，主要考虑流体与物体接触面的热交换，基于牛顿冷却公式计算；热辐射是指物体通过电磁波传递能量，可发生在任何物体中。

数据中心自身的产热先通过热传导的方式到达集装箱壳体，然后由集装箱周围的冷却介质（海水）以对流换热方式将集装箱外壳处的热量随着流体的流动带走。为简化模型，只考虑热对流和热传导的传热方式[1]。

根据流体流动的特点，热对流可分为自然对流和强制对流。这里主要考虑自然对流换热。

2.2.1自然对流。固体与流体间存在温差，导致流体内部温度不均匀，其在重力作用下产生浮升力促使流体向上发生流动现象，并引发热量的相互交换，即自然对流换热。其中，反映自然对流换热强度的大小为格拉晓夫数Gr。

式中：Pr为普朗特数，是反映流体物理性质对对流换热影响的准数，表示运动黏度与导热系数的比值，表明流体动量和热量传递能力的相对大小，还表明了温度场与速度场之间的相似程度；μ为气体动力黏度；Cp为气体比热；K为导热系数；Gr为格拉晓夫数，反映由于流体各部分温度不同而引起的浮升力与黏性力的相对关系；r为气体密度；b为气体膨胀系数；L为特征长度；T为温度；μ为气体动力黏度。

利用Matlab求解上述规划问题，得到在仅考虑散热问题下的海底集装箱内可容纳的数据箱为210～300个。

3.4模型求解

为了检验上述模型的准确性，利用Ansys软件对其进行流体仿真分析[5]。Ansys是一款专门用于电子散热领域的三维热仿真和优化设计软件。设计人员可以用该软件创建产品的虚拟模型，分析产品内部的温度分布、气体流动、热量传递过程等，也可以预测产品可能出现的热风险，并进一步改善产品设计，提高产品的热可靠性。An？ sys fluent软件工作流程如图3所示。

通过对集装箱和服务器进行建模，将其导入软件中并对其进行相关约束设置，得到如图4所示的分析结果。

通过结果云图可以看出，在只考虑对流散热的情况下，服务器的可容纳量最大值为242，介于求解区间。

4结语

数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在Inter- net网络基础设施上传递、展示、计算、存储数据信息。简单来讲数据中心就是将数量庞大的服务器放在一起，提供运行应用来处理商业和运作数据的组织。

对于海底数据中心，如何在有限的体积内存放更多的服务器且保证服务器工作过程中能够向海水快速散熱是一个非常具有挑战性的问题。将数据中心实际散热问题简化为平面热流模型，依据海水的热传导规律分析转换成体积与温度两个因素，在只考虑服务器散热需求的情况下，通过确定边界条件将流体动力学问题转化为线性规划模型，并且利用Matlab求出海底集装箱内可容纳的数据箱为210～300个。为了检验模型的准确性，利用Ansys软件对其进行流体仿真分析。通过结果云图可以看出，在只考虑对流散热的情况下，服务器的可容纳量的最大值为242，介于求解区间。同时，进一步利用Workbench中的瞬态热力学模块对IU服务器的最佳数量进行测试。

外界环境温度是影响海底数据中心中IU处理器工作状况的最重要因素。所以，相关研究所应海底根据季节变换准确标定海底数据中心的表层温度，从而控制海底数据中心的下潜深度，保证IU服务器的安全运作。

参考文献：

[1]范庆凯，李江海.海底地形对洋中脊热液对流活动的影响研究：基于海水压力的空间变化[J].海洋学报，2020（9）：61-68.

[2]DAI G L.Designing nonlinear thermal devices and metamaterials under the Fourier law： a route to nonlinear thermotics[J].Frontiers of Physics，2021（5）：53001.

[3]ALOTAIBI A，NADEEM F.A review of applications of linear programming to optimize agricultural solutions[J].International Journal of Information Engineering and Electronic Business，2021（2）：11-21.

[4]BANSAL A，UZSOY R. Constraint violation reduction search for 0–1 mixed integer linear programming problems[J]. Engineering Optimization，2021（4）：609-626.

[5]WU G X，ZHAO X L，SHI D D，et al.Analysis of fluid–Structure coupling vibration mechanism for subsea tree pipeline combined with fluent and Ansys Workbench[J].Water，2021（7）：955.