基于CFD仿真的冷却空调系统气流组织数值模拟

董 凡,成永刚

(西安交通大学网络信息中心,陕西 西安 710049)

1 引言

冷却空调系统设计不合理,会导致制冷设备出现局部过热的现象[1]。为了保证冷却空调系统运行过程中的温度,需要调低整个空调机房的温度,导致大部分的空调系统在运行过程中并未达到满负荷运行的状态,不仅会造成大量的能源浪费,而且无法彻底解决空调局部过热的现象[2]。在设计冷却空调系统的气流组织时,如果缺乏合理性,就会升高冷却空调系统的能耗,因此对冷却空调系统气流组织进行数值模拟研究,有效处理空调设备产生的热量,从而提高冷却空调系统在运行中的制冷效率,在减少冷却空调能耗的前提下,设置冷却空调系统数据中心,保证冷却空调系统在运行中的安全性和稳定性[3]。

周鑫涛等人[4]提出了一种基于流体力学的气流组织模拟方法,在不同气流组织形式下,采集了深海载人平台气流组织数据,分析出空气中温度的分布规律,结果表明,在深海载人平台密闭舱室的热源气流部分不均匀的情况下,外侧的送风气流组织不能满足密闭舱室的气流需求,通过更改气流组的输送方式,满足气流组织要求。赵福云等人[5]为了分析工作台送风口对电子洁净室内空气环境的影响,结合流体力学的计算方法,对iso6模式下的电子洁净室空气环境数值进行模拟,根据送风口的个数以及所处位置的不同,分析工作台送风口对电子洁净室内空气环境的影响。实验结果表明,处于电子洁净室正前方的工作台送风口可以有效抑制热气流的影响,工作台送风口可以根据电子洁净室的位置作出相应的位置调整,送风口应设置在电子洁净室正交正对的位置,方可保证送风口的风速,有助于电子洁净室的空气环境的流动性,通过数值模拟的结果,可以为电子洁净室的送风口的位置设置提供合理化建议。

基于以上研究背景,本文利用CFD仿真软件对冷却空调系统的气流组织进行数值模型研究,从而确定影响冷却空调系统气流组织的因素。

2 冷却空调系统气流组织数值模拟

2.1 控制方程

控制方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒[6],在冷却空调系统气流组织的数值模拟中,可以解决气流组织的流动和传热问题[7]。本文以数据中心冷却空调系统为研究对象,假设数据中心的密封性良好[8],那么控制方程为:

质量守恒

(1)

其中,vx、vy和vz分别表示速度矢量在x、y和z方向的分量。

动量守恒

(2)

其中,ρ表示空气的密度,p表示空气中的大气压强,ϖ表示运动黏度。

能量守恒

(3)

其中,T表示热力学温度,λ表示导热系数,Sh表示内热源,Φ表示耗散函数。

根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程的表达式,得到了冷却空调系统气流组织数值模拟的控制方程。

2.2 构建冷却空调系统模型

将CFD仿真软件应用到冷却空调系统模型的构建中时,分为多孔介质模型和多孔阶跃模型[9],相比于多孔介质模型而言,多孔阶跃模型的结构更加简单,在计算过程中也更加稳定[10]。多孔地板通常比较薄,本文利用多孔阶跃模型进行建模[11],那么地板的压力损失为

Δp=K(0.5ρv2)

(4)

式中,K表示流动阻力系数,表示v地板附近的速度。

根据式(4)的结果,计算地板的流动阻力,公式为

(5)

其中,F表示地板的孔隙率。

以上根据地板的压力损失,构建冷却空调系统模型,接下来利用CFD仿真软件对冷却空调系统气流组织进行数值模拟。

2.3 CFD仿真

利用CFD仿真软件对冷却空调系统气流组织进行数值模拟时,将仿真过程划分为三个阶段:先对冷却空调系统模型进行处理[12],转换成CFD仿真软件可以识别的数据模型,再利用求解器读取前处理的气流组织数据[13],经过计算之后,将气流组织数据输出,结合后处理软件处理求解器输出的气流组织数据[14],并通过绘制图表展示可视化结果,本文利用CFD仿真软件建立数据中心冷却空调系统模型[15],并将其导入到前处理器中,根据气流组织数据的分析,输出结果。

3 结果分析

3.1 架空地板高度对冷却空调系统气流组织的影响

当冷却空调系统采用地板下送风形式时,架空地板高度影响冷却空调机房的层高,另一方面,架空地板高度影响冷却空调系统的送风速度以及送风的均匀性,从而影响到冷却空调的整体制冷效果。因此,本文对不同架空地板高度的气流组织数值进行模拟,通过选取200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm五种不同的架空地板高度,分析架空地板高度对冷却空调气流组织数值的影响。

3.1.1 风量分析

风量大小直接反映冷却空调系统的气流组织到达机房各个区域的位置。根据模拟结果,统计不同架空地板高度情况下的出风量情况,表1为不同架空地板高度下风量大小分布的区间。

表1 地板格栅出风量的分布情况

根据表1的风量分布区间,绘制出冷却空调系统气流组织区间图,如图1所示。

图1 出风量分布区间图

从图1中可以看出,当架空地板高度在200mm到1000mm之间时,冷却空调系统气流组织的风量大小区间呈缩短趋势。

3.1.2 压力场分析

架空地板高度下的压力场会影响冷却空调系统气流组织分布的均匀性,进而影响到冷却空调的制冷效果。综上所述风量对冷却空调系统气流组织数值的影响,指出地板间隙的风量的大小对空调内侧区域的影响,之所以会出现这种现象因为架空地板高度下的压力场分布不均,受架空地板高度的影响,其压力场的分布规律也不一样。

分别对地板间隙的静压力与架空地板高度下的压力场进行分析,根据模拟结果,不同架空地板高度下的地板间隙静压力与压力场分布区间的统计情况如表2所示。

表2 地板格栅与平面的静压分布情况

根据表2的风量分布区间,绘制了冷却空调系统气流组织的压力场分布区间图,如图2所示。

图2 静压分布区间图

从图2可以看出,当架空地板高度在200mm到1000mm时,静压大小呈缩短趋势,说明随着架空地板的高度升高,地板间隙的静压力与架空地板高度气流组织的压力场的差异越来越小。

3.1.3 温度场分析

在完成架空地板高度的出风量与压力场的分析后,可以看出架空地板高度对冷却空调机房系统的气流组织具有一定的影响作用。然而,架空地板高度的出风量和压力场对冷却空调系统气流组织数值的影响都会在制冷温度上反映出来,只有保证冷却空调系统的机房温度适宜,才能保证冷却空调系统的正常运行,因此通过对温度场分析,可以获取如何改善冷却空调系统气流组织的方法。为了分析不同的架空地板高度下的温度场情况,分别截取不同高度下的温度分布,并将五个不同的架空地板高度下的最高温度值和冷却空调系统机房的最高温度进行统计,如表3所示。

根据表3得出不同架空地板高度下,冷却空调系统气流组织的最高温度变化规律,如图3所示。

由表3可以看出,升高架空地板的高度,会降低数据中心的温度。当架空地板高度为200mm时,冷却空调系统机房会出现气流组织分布不均匀的情况,此时的最高温度为44℃。当架空地板的高度为600mm时,冷却空调系统机房的温度会有所下降,因此可以总结出,随着地板架空高度的逐渐升高,冷却空调机房的温度会随之下降,此时的冷却空调系统的冷却效果会有所提高。

3.2 地板送风格栅开孔率对冷却空调系统气流组织的影响

冷却空调系统的冷却目标是保证冷却空调系统的入口温度不超过最高入口的温度。冷却空调系统机房的温度过高,是因为地板送风格栅的冷气不足造成的,最终导致热空气倒流,形成局部温度升高的现象,最终对冷却空调系统的制冷效果产生影响。因此,对地板送风格栅的开孔率进行优化,是保证冷却空调系统冷却效率的重要环节。本文分别将地板送风格栅的开孔率设置为20%,35%,50%及组合布置形式,并分别进行4组试验以验证地板送风格栅开孔率对冷却空调系统气流组织的影响。

3.2.1 风量分析

风量大小可以直接反映冷却空调系统气流组织数值的大小,根据模拟的结果来看,通过统计地板送风格栅的出风量,表4表示不同地板送风格栅开孔率影响下的风量大小分布情况。

表4 地板格栅出风量的分布情况

根据表4的风量分布区间,绘制了冷却空调系统气流组织的区间图,如图4所示。

图4 出风量分布区间图

由图4可以看出,地板送风格栅的开孔率在20%到50%区间时,风量呈逐渐增大的趋势,说明随着地板送风格栅开孔率减少,冷却空调系统气流组织的出风量逐渐减小。

3.2.2 压力场分析

分析地板送风格栅与冷却空调系统气流组织压力场,根据模拟结果,得到不同地板送风格栅开孔率与压力场的关系,如表5表示。

表5 地板格栅与平面的静压分布情况

从表5可以看出压力场的分布区间,并绘制区间图,如图5所示。

图5 静压分布区间图

由图5可以看出,当地板送风格栅开孔率为20%时,冷却空调系统气流组织的压力场值较大,随着地板送风格栅开孔率的增大,压力场的值随之减小,在组合布置形式下的静压力所对应的板格栅开孔率为20%-35%,满足冷却空调系统的送风量要求。

3.2.3 温度场分析

为了分析不同地板送风格栅开孔率下,冷却空调系统气流组织的温度场情况,将各个截面的最高温度值与冷却空调机房的最高温度值进行统计,结果如表6所示。

表6 冷却空调系统气流组织在不同界面的最高温度分布情况

根据表6的结果,绘制不同地板送风格栅开孔率下温度场的变化情况,如图6所示。

图6 温度变化折线图

从表6和图6可以看出,当地板送风格栅的开孔率控制在20%-35%范围内时,随着地板送风格栅的开孔率的增加,温度场的温度明显下降,说明冷却空调系统的制冷效率明显提高,冷却效果良好,在此区间范围内可以满足模拟要求。

4 结束语

本文提出了基于CFD仿真的冷却空调系统气流组织数值模拟研究,发现架空地板高度和地板送风格栅开孔率会影响冷却空调系统气流组织的冷却效果。但是本文的研究还存在很多不足,在今后的研究中,希望可以考虑到封闭冷/热通道对冷却空调系统气流组织的影响,进一步改善冷却空调系统气流组织的冷却效果。