大學(xué)碩士研究生答辯《空間幾何結(jié)構(gòu)對(duì)冷通道封閉型數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境影響研究》模板課件（終版）

答辯人：XXX學(xué)號(hào)：XXXX導(dǎo)師：XXX實(shí)踐指導(dǎo)老師：XXX答辯時(shí)間：5月13日空間幾何結(jié)構(gòu)對(duì)冷通道封閉型數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境影響研究目錄CONTENTS1緒論2數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境與氣流組織的數(shù)值模擬研究3空調(diào)位置對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響4擋板位置及角度對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響5數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的實(shí)測(cè)驗(yàn)證6結(jié)論與展望1.緒論研究背景與目的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的主要問(wèn)題主要研究工作研究背景與目的1數(shù)據(jù)中心建設(shè)高速發(fā)展21世紀(jì)是網(wǎng)絡(luò)和信息的時(shí)代，數(shù)據(jù)處理需求的巨大增長(zhǎng)極大地帶動(dòng)了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展。2數(shù)據(jù)中心高能耗的特點(diǎn)空調(diào)系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總運(yùn)行能耗的45%左右，成為主要能耗來(lái)源。3數(shù)據(jù)中心冷量浪費(fèi)、局部過(guò)熱現(xiàn)象亟待解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)出現(xiàn)冷量浪費(fèi)、局部過(guò)熱現(xiàn)象最主要的原因就是氣流組織不合理。4地板下靜壓層內(nèi)的氣流組織在數(shù)據(jù)中心有效運(yùn)作上起關(guān)鍵作用對(duì)地板下靜壓層的流場(chǎng)有影響的因素主要包括：靜壓層的高度、穿孔地板的穿孔率和地板下障礙物的位置。降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗或建造高能效的數(shù)據(jù)中心對(duì)節(jié)能降耗研究具有重要意義優(yōu)化氣流組織分布，減少局部過(guò)熱現(xiàn)象的發(fā)生是數(shù)據(jù)中心建設(shè)必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題研究目的：改善數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質(zhì)，優(yōu)化氣流組織分布，減少局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗，本文提出優(yōu)化地板下送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)來(lái)改善數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境品質(zhì)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀靜壓層高度、地板穿孔率以及空調(diào)位置情況下關(guān)于靜壓層高度的研究PatankarS.V利用CFD模擬了靜壓層高度在150mm~600mm的變化下數(shù)據(jù)中心地板下靜壓層內(nèi)的氣流分布和穿過(guò)地板的氣流分布。Bhopte、JoshiY、ChoJ等通過(guò)建立數(shù)據(jù)中心不同靜壓層高度的CFD模型模擬計(jì)算了在不同靜壓層高度下地板下氣流速度及穿過(guò)地板的氣流速度和溫度。關(guān)于穿孔地板穿孔率的研究FulpagareY等逐個(gè)研究了穿孔率25%，36%和50%的穿孔地板的熱剖面，得出低穿孔率區(qū)域熱氣流更容易與冷氣流混合的結(jié)論。FakhimB等通過(guò)CFD模擬提供了控制穿過(guò)地板氣流分布的流體機(jī)械進(jìn)程，并模擬計(jì)算了通過(guò)穿孔率為25%、50%、75%和100%穿孔地板的流體速度和溫度，比較發(fā)現(xiàn)通過(guò)穿孔率25%的穿孔地板的氣流分布更均勻。關(guān)于空調(diào)位置的研究NadaS.A等研究了空調(diào)的位置對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境性能的影響，對(duì)空調(diào)垂直于機(jī)柜和空調(diào)平行于機(jī)柜兩種方式對(duì)比，得出了單個(gè)空調(diào)垂直與機(jī)柜放置較好的結(jié)論。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀關(guān)于地板下?lián)醢宓难芯縁ulpagareY等[34]在此基礎(chǔ)上模擬靜壓層內(nèi)的障礙物對(duì)氣流分布的影響，發(fā)現(xiàn)不利障礙物會(huì)使氣流進(jìn)入冷通道時(shí)的速度減少80%，進(jìn)而減少了冷空氣冷卻服務(wù)器的流量，容易產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象。SVPatankar[35]又深入研究了地板下障礙物對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)在靜壓層內(nèi)架設(shè)有利擋板會(huì)減少氣流水平流動(dòng)方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，從而調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)進(jìn)入冷通道內(nèi)的風(fēng)量，使得冷通道內(nèi)的氣流更加均勻，增加氣流對(duì)機(jī)柜的冷卻效率存在的主要問(wèn)題以往的研究均是以個(gè)別已建成的數(shù)據(jù)中心作為研究對(duì)象，得到的結(jié)論雖然有一定的參考價(jià)值，但缺乏普遍性。以往研究單個(gè)因素對(duì)氣流組織影響的過(guò)程并沒(méi)有循序漸進(jìn)和比較系統(tǒng)的研究方案，且研究手段大多是基于CFD數(shù)值模擬，少部分通過(guò)建立小規(guī)模模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。

數(shù)據(jù)中心地板下?lián)醢逖芯恐饕芯抗ぷ鞅疚囊砸圆贾糜?列機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心子模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)中心）為研究對(duì)象，采取冷通道封閉，機(jī)房空調(diào)正向送風(fēng)、地板下送風(fēng)的氣流組織方案，主要研究數(shù)據(jù)中心空間幾何結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響，研究工作分為以下三個(gè)部分：數(shù)據(jù)中心氣流組織的數(shù)值模擬研究三個(gè)影響因素的研究分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的實(shí)測(cè)分析與模擬方法驗(yàn)證根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際尺寸建立通道封閉的數(shù)據(jù)中心數(shù)值計(jì)算模型，并進(jìn)行數(shù)值求解。根據(jù)輸出的可視化云圖分析不同高度平面的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，得到基于模擬結(jié)果的初步結(jié)論，總結(jié)出現(xiàn)的熱環(huán)境問(wèn)題及速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)。在原來(lái)模型的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬研究空調(diào)位置、地板下?lián)醢逦恢煤蛽醢褰嵌热箫L(fēng)道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流組織的影響。根據(jù)模擬結(jié)果推薦各個(gè)影響因素的參數(shù)值范圍，并逐步優(yōu)化數(shù)據(jù)中心各個(gè)影響因素的參數(shù)值，最終獲得地板下送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，氣流組織合理的數(shù)據(jù)中心氣流組織模型。對(duì)實(shí)勘數(shù)據(jù)中心子模塊進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)與第2章模擬結(jié)果的對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證CFD模擬所建模型、邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格劃分的合理性和準(zhǔn)確性，從而驗(yàn)證了優(yōu)化模擬結(jié)果的可靠性，增加可信度。主要研究工作2.數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境與氣流組織的數(shù)值模擬研究數(shù)值模擬模型的建立邊界條件與初始值設(shè)定模擬結(jié)果分析數(shù)值模擬模型的建立空調(diào)平行于機(jī)柜，空調(diào)與冷通道在一條直線(xiàn)上空調(diào)平行于機(jī)柜，空調(diào)與熱通道在一條直線(xiàn)上；空調(diào)垂直于機(jī)柜，兩臺(tái)空調(diào)布置在一側(cè)空調(diào)垂直于機(jī)柜，兩臺(tái)空調(diào)分別布置在兩側(cè)數(shù)值模擬模型的建立假設(shè)：模型中保持服務(wù)器散熱量不變，設(shè)定服務(wù)器的數(shù)量為4，平均分配熱源散熱量，則每個(gè)服務(wù)器的散熱量為100W。機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的尺寸為800mm×500mm×350mm，到機(jī)柜前、后門(mén)距離分別設(shè)置為10mm和20mm，到左、右柜體距離均設(shè)為50mm，服務(wù)器到機(jī)柜底部、頂部的距離分別為150mm，服務(wù)器與服務(wù)器之間間隔100mm。圖5數(shù)據(jù)中心子模塊物理模型圖圖4機(jī)柜服務(wù)器模型邊界條件與初始值設(shè)定數(shù)值模擬初始值設(shè)定邊界條件設(shè)定參數(shù)數(shù)值模擬環(huán)境溫度（℃）28單臺(tái)空調(diào)風(fēng)量（m3/s）3.5空調(diào)送風(fēng)溫度（℃）18單臺(tái)服務(wù)器發(fā)熱量（W）100穿孔地板穿孔率（%）20名稱(chēng)邊界條件空調(diào)進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)扇機(jī)柜正、背面通風(fēng)口服務(wù)器體熱源穿孔地板多孔階躍模型模擬結(jié)果分析數(shù)據(jù)中心立面速度矢量圖數(shù)據(jù)中心平面速度矢量圖數(shù)據(jù)中心單列機(jī)柜溫度分布圖Z=0.5mZ=1.0mZ=1.5m不同高度截面的溫度分布圖模擬結(jié)果分析水平方向，靠近機(jī)房空調(diào)的冷通道前段氣流速度較小，在冷氣流輸送方向，氣流速度不斷增大，在冷通道中部達(dá)到峰值后隨著輸送距離的增加又開(kāi)始逐漸減小，故靠近機(jī)房空調(diào)的3排機(jī)柜溫度較高。豎直方向，冷氣流在機(jī)柜底部開(kāi)始擴(kuò)散，到機(jī)柜中部完成衰減，再加上熱氣流的浮升力導(dǎo)致機(jī)柜頂部溫度最高，出現(xiàn)局部過(guò)熱點(diǎn)。機(jī)房回風(fēng)口周?chē)霈F(xiàn)空氣滯留區(qū)域，溫度較高。3.空調(diào)位置對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)位置的研究空調(diào)位置的小結(jié)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)ASHRAETC9.9對(duì)數(shù)據(jù)中心冷通道內(nèi)的氣流溫度提出建議和要求，隨著科技的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的冷卻技術(shù)的不斷提高，冷通道內(nèi)的推薦和要求最高溫度逐漸提高，冷通道內(nèi)的推薦和要求最低溫度逐漸降低，從2004年到2015年ASHRAE的標(biāo)準(zhǔn)也逐漸改變，如表所示，因此本文選取的數(shù)據(jù)中心冷通道內(nèi)的溫度為27℃，用來(lái)判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

2004版2008/2011版2015版冷通道內(nèi)的最低推薦溫度20℃18℃18℃冷通道內(nèi)的最高推薦溫度25℃27℃27℃空調(diào)位置的研究數(shù)據(jù)中心平面速度場(chǎng)數(shù)據(jù)中心立面矢量速度場(chǎng)空調(diào)位置的研究數(shù)據(jù)中心3D溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)中心立面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)中心Z=1.3m的平面溫度場(chǎng)4.擋板位置及角度對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響擋板位置擋板角度小結(jié)擋板位置的優(yōu)化

擋板架設(shè)方式（a），（b），（c）分別為“無(wú)擋板”，“V字形”和“八字形”擋板位置的優(yōu)化三種擋板模擬的靜壓層速度場(chǎng)三種擋板模擬的Z=0.6m速度場(chǎng)三種擋板模擬的Z=1.3m溫度場(chǎng)靜壓層內(nèi)架設(shè)擋板，目的是減少氣流水平流動(dòng)方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，從而調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)進(jìn)入冷通道內(nèi)的風(fēng)量，使得冷通道內(nèi)的氣流更加均勻，增加氣流對(duì)機(jī)柜的冷卻效率?！鞍俗中巍睋醢蹇梢源龠M(jìn)速度場(chǎng)均勻分布，以及提高冷空氣對(duì)機(jī)柜的冷卻效率。擋板角度的優(yōu)化

架設(shè)擋板示意圖在得到最佳空調(diào)位置和擋板位置的數(shù)據(jù)中心的前提下，本文將靜壓層下的擋板以ɑ為30°—60°的角度對(duì)數(shù)據(jù)中心氣流組織和熱環(huán)境的影響進(jìn)行研究。本文以空調(diào)中心線(xiàn)與遠(yuǎn)空調(diào)端壁面的交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以15°為步長(zhǎng)，分別是ɑ為30°，45°以及60°三種角度為研究對(duì)象。地板下?lián)醢褰嵌鹊膬?yōu)化

三種擋板角度模擬的Z=0.6m速度場(chǎng)三種擋板角度模擬的Z=1.3m溫度場(chǎng)（a）（b）（c）

分別30°45°60°小結(jié)靜壓層內(nèi)架設(shè)有效擋板有利于減少氣流水平流動(dòng)方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，使得冷空氣進(jìn)入冷通道內(nèi)的氣流分布更加均勻，有利于增加冷空氣的冷卻機(jī)柜的冷卻效率。而靜壓層內(nèi)的擋板若架設(shè)不當(dāng)，使得靜壓層內(nèi)存在多余的不利障礙物，從而導(dǎo)致靜壓層內(nèi)的氣流分布紊亂，不利于冷空氣高效地冷卻IT服務(wù)器，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器溫度過(guò)高，發(fā)生宕機(jī)的現(xiàn)象。因此本文推薦最佳的靜壓層內(nèi)的擋板架設(shè)方式為“八字形”架設(shè)方式。靜壓層內(nèi)的擋板架設(shè)為“八字形”方式，角度的改變同樣也會(huì)影響數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境，靜壓層內(nèi)的擋板角度過(guò)小起不到減少氣流水平流動(dòng)方向的末端靜壓的作用，擋板角度過(guò)大會(huì)遮蓋住冷通道下方的穿孔地板，阻礙氣流進(jìn)入冷通道，因此通過(guò)對(duì)擋板角度的對(duì)比分析得到最佳的擋板角度。當(dāng)擋板角度為60°時(shí)，冷通道內(nèi)的氣流組織最佳，機(jī)柜溫度最均勻。5.數(shù)據(jù)中心氣流組織的試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)柜周?chē)鷼饬鹘M織實(shí)測(cè)分析CFD模擬的可靠性驗(yàn)證機(jī)柜周?chē)鷼饬鹘M織實(shí)側(cè)分析在機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)距離地板500mm、1000mm、1500mm高度位置測(cè)量氣流速度，在每個(gè)機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)距離地板500mm、1000mm、1500mm高度位置測(cè)量氣流溫度。為避免服務(wù)器散熱風(fēng)扇的氣流對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，在測(cè)試時(shí)測(cè)量點(diǎn)距離機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面、出風(fēng)面150mm。在一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量3~4個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值為測(cè)量結(jié)果。2測(cè)點(diǎn)布置1數(shù)據(jù)中心子模塊實(shí)勘現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜周?chē)鷼饬鹘M織實(shí)測(cè)分析實(shí)測(cè)儀器機(jī)柜周?chē)鷼饬鹘M織實(shí)側(cè)分析A列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)的氣流速度折線(xiàn)圖A列機(jī)柜Z=0.5m高度平面機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)速度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖A列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)的氣流溫度折線(xiàn)圖

A列機(jī)柜Z=0.5m高度平面機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖CFD模擬的可靠性驗(yàn)證

CFD模擬結(jié)果圖像

實(shí)測(cè)紅外成像圖像5.結(jié)論與展望結(jié)論與展望結(jié)論情況下（1）通過(guò)CFD模擬空間幾何結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境和氣流組織的影響，發(fā)現(xiàn)空調(diào)位置，靜壓層內(nèi)的擋板位置以及擋板角度都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，其中空調(diào)垂直與機(jī)柜，空調(diào)均在一側(cè)的放置情況氣流組織最佳，在此基礎(chǔ)上在靜壓層內(nèi)架設(shè)“八字形”型的擋板會(huì)有利于優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的氣流分布，且擋板角度為60°時(shí)機(jī)柜溫度最低，氣流組織質(zhì)量最佳，熱環(huán)境品質(zhì)最好。（2）空調(diào)的位置對(duì)數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境發(fā)揮著重要的作用。在相同的條件下，不利的空調(diào)位置會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，極大程度上增加了數(shù)據(jù)中心宕機(jī)的危險(xiǎn)，而有利的空調(diào)位置不僅會(huì)減少機(jī)柜局部過(guò)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，還會(huì)提高冷空氣冷卻IT服務(wù)器的效率，節(jié)能降耗。因此經(jīng)過(guò)對(duì)比不同空調(diào)位置對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的影響，本文根據(jù)數(shù)據(jù)中心既能滿(mǎn)足安全的要求又達(dá)到節(jié)能的目的的前提下，推薦空調(diào)垂直與機(jī)柜，空調(diào)均在一側(cè)的放置形式。（3）靜壓層內(nèi)架設(shè)有效擋板有利于減少氣流水平流動(dòng)方向的末端靜壓，促進(jìn)靜壓層內(nèi)的壓力平衡，使得冷空氣進(jìn)入冷通道內(nèi)的氣流分布更加均勻，有利于增加冷空氣的冷卻機(jī)柜的冷卻效率。而靜壓層內(nèi)的擋板若架設(shè)不當(dāng)，使得靜壓層內(nèi)存在多余的不利障礙物，從而導(dǎo)致靜壓層內(nèi)的氣流分布紊亂，不利于冷空氣高效地冷卻IT服務(wù)器，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器溫度過(guò)高，發(fā)生宕機(jī)的現(xiàn)象。因此本文推薦最佳的靜壓層內(nèi)的擋板架設(shè)方式為“八字形”架設(shè)方式。（4）數(shù)據(jù)中心靜壓層內(nèi)的擋板角度的改變同樣也會(huì)影響數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境，靜壓層內(nèi)的擋板角度過(guò)小起不到減少氣流水平流動(dòng)方向的末端靜壓的作用，擋板角度過(guò)大會(huì)遮蓋住冷通道下方的穿孔地板，