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摘要：数据中心机房气流和温度分布情况和机架的工作稳定性及使用寿命密切相关。本文利用 CFD 软件建立的数据中心机房空调系统物理模型对数据中心机房气流和温度场进行了数值模拟。模拟结果表明，机架应与计算机空调机保持一定的距离，下送风地板高度越高气流分布越均匀。结合模拟结果，文章最后给出了一些优化设计的建议。
关键词：CFD 数据中心；温度场；数值模拟
1.引言
随着互联网的飞速发展，数据处理业务需求的爆炸式增长和计算机、网络技术的飞跃进步，银行、保险、证券等金融行业、交通运输、医疗卫生等大型企业级政府机构相继建立起许多数据中心（IDC）。在数据业务需求和IT技术的共同推动下，数据中心的热流密度每年呈现上升趋势，而且这种趋势还在继续。由于IDC以数据设备为主，功耗比较大，对空调的要求比较高，空调能耗也随之增大，以至于IDC与通信机楼相比，显然是一个耗电大户，IDC机房的节能就显得尤为重要，尤其在空调系统上，节能潜力尤为大。另外，随着数据设备单机功率的不断增加，IDC机房内往往会出现局部高温问题，这种问题目前非常普遍并且很难解决，往往通过在局部增加分体空调机或者工业风扇来缓解，但最终没从根本上解决问题。
在IDC机房，合理的空调气流组织不但能够提高空调的制冷效率，节省空调耗电量，而且能够解决局部高温问题。目前通过CFD来模拟机房的温度场和流场是检测机房空调气流组织是否合理的重要手段之一。本文利用CFD工具对IDC机房气流组织进行了模拟研究。
模型的建立
目前数据中心常规的空调方式是利用恒温恒湿空调提供冷量，通过地板下的“静压箱”向设备机柜提供冷气。机架通常摆设成冷热通道，冷通道为机架的进风，热通道为回风。其示意图如图1所示：
如图2所示的建筑物为本文所建立的模型，房间大小为12.4mx11.2mx4.5m（LxWxH），架空地板高度为400mm。房间里共有机架40台，每个机架功率为4.0kW。房间里设2台精密空调，每台空调的显冷量85kW，最大风量为23200m3/h。空调气流组织形式采用冷热通道，在冷通道使用开孔的地板作为送风口，开孔度为60%。
根据机房模型的实际情况，设定送风温度为16℃，相对湿度为50%。
2.模拟结果分析
空调机距离对气流的影响
由流体力学知识知道，离空调机送风口的距离越近，产生的动压愈大，沿地板送风口方向上所产生的静压就越小，沿地板送风口的风量就越小。这样离空调机越近的送风口的送风风速就越小，送风量也越小。本文通过建立模型，来验证这一结论。
图3至图6为地板下0.2m（记为y=0.2m）、地板上1.5m（记为y=1.5m）X-Z平面上不同截面的速度分布和速度矢量模拟图。
对比2个截面的速度分布和速度矢量分布结果可以看出，在远离空调的水平方向风速逐渐减少，以架空地板下0.2m平面下的冷通道为例，风速有6m/s左右衰减到3m/s左右。比较图7和图8，即y=0.2m和y=1.5m两种截面的压力分布图，可以看出来，排除漩涡影响。总的来说，在远离空调的水平方向压力逐渐增大。这就说明，在相同地板开口率面积的情况下，离空调机越远，通过地板送风口的静压越大，通过地板送风口的气流也就越多，即送风量也就越大。这正好与流体力学知识相吻合。
根据以上的结论，我们在设计阶段就可以知道：
1.机架要与空调机保持一定的距離，防止机柜得不到很好的冷却
2.在相同情况下，距空调机近的机柜得到的风量较距空调机远的机柜少。这样，就可以把一些耗电功率小的机柜放在距空调机较近的区域，把一些大的机柜放在距空调机较远的区域（也要考虑实际风机可提供的机外余压的大小）。“大小搭配”是一种很好的解决制冷效率利用率低，防止部分功率较大的机柜产生热点的一种有效方法。
地板高度对气流组织的影响
当地板下的气流的水平压力损失不一致时，通过地板送风口的气流流速就不一致了。静压箱的高度对其静压箱里气流的水平流速和压力分布有着很重要的影响。当静压箱高度提高时，气流在水平方向上就会降低，这样通过地板送风口气流的不一致性就会降低。
为此，我们建立2种不同高度数据中心的模型。分别是地板高度为400mm，地板高度为600mm，的2个模型。在其他条件都一致的情况下，来比较其冷却效果。
在模拟工况中，我们选择了几种地板高度进行模拟，并对每种工况选取相同高度的剖面图的温度场的分布进行比较。如图所示，图10为地板高度为400mm的情形，图11为地板高度600mm的情形。每种情形的剖面图均为离地板100mm（H=0.1m）的剖面图。
模拟的结果如下：
从图9至图12温度的截面图对比可以看出来，地板高度越高，温度分布越均匀。图13为2种情况下每个机架的平均进风温度对比图，从表1的对比中，可以看出，地板高度为600mm时，机架的平均进风温度比地板高度为400mm时低，且随着地板的高度的增大，气流的分布越均匀。
3.结论
根据以上的分析，可以得到一些的结论：
风速：架空地板下，离空调距离越远，水平风速越小。在相同地板开孔面积的情况下，离空调机越远，经过地板送风口的风量也就越大。架空地板越高，气流越均匀。
为了提高空调制冷的效果，达到节能的目标，可以通过以下措施来优化设计与布置设备：
1.把一些耗电功率小的机柜放在距空调机较近的区域，把一些耗电功率大的机柜放在距空调机稍远的区域。
2.将靠近空调机组的地板开口面积开大，远离空调机组的地板的开口面积逐渐开小，尽量维持架空地板的送风量的一致性。
3.有条件尽量增大架空地板的高度，这样会使地板下的气流更加均匀，送风效果更好。
参考文献：
[1]刘芳，王志刚. 某数据中心室内空调气流组织的模拟研究[J]. 建筑节能，2016，44（10）：11-17.
[2]原世杰，鹿世化. 基于热环境评价指标的数据中心气流组织模拟研究[J]. 暖通空调，2016，46（01）：66-72.
[3]陈翼翔. 数据中心机房上送风空调气流组织及运行模式分析[J]. 暖通空调，2015，45（10）：82-85.
[4]顿喆，秦赟，关欣. 基于Fluentairpak的数据中心机房的气流组织模拟优化[J]. 建筑节能，2015，43（03）：27-33.
[5]任义丽，冯梅，李捷，史立勇，张舰军. 数据中心气流组织优化研究与探索[J]. 信息系统工程，2013，（10）：140-143
[6]刘婷婷，田浩. IDC机房空调节能改造工程[J]. 节能技术，2011，29（05）：466-469.
[7]赖世能，侯福平，宗凌. IDC机房空调电源技术专题系列之一：IDC机房上下送风方式空调系统分析比较[J]. 电信技术，2005，（11）：38-40.
[8]王田丰，陈日凡，谢振华. 利用CFD仿真软件实现IDC机房空调系统最佳工作参数的灵活动态调整[J]. 电信技术，2017，（07）：56-58.
关键词：CFD 数据中心；温度场；数值模拟
1.引言
随着互联网的飞速发展，数据处理业务需求的爆炸式增长和计算机、网络技术的飞跃进步，银行、保险、证券等金融行业、交通运输、医疗卫生等大型企业级政府机构相继建立起许多数据中心（IDC）。在数据业务需求和IT技术的共同推动下，数据中心的热流密度每年呈现上升趋势，而且这种趋势还在继续。由于IDC以数据设备为主，功耗比较大，对空调的要求比较高，空调能耗也随之增大，以至于IDC与通信机楼相比，显然是一个耗电大户，IDC机房的节能就显得尤为重要，尤其在空调系统上，节能潜力尤为大。另外，随着数据设备单机功率的不断增加，IDC机房内往往会出现局部高温问题，这种问题目前非常普遍并且很难解决，往往通过在局部增加分体空调机或者工业风扇来缓解，但最终没从根本上解决问题。
在IDC机房，合理的空调气流组织不但能够提高空调的制冷效率，节省空调耗电量，而且能够解决局部高温问题。目前通过CFD来模拟机房的温度场和流场是检测机房空调气流组织是否合理的重要手段之一。本文利用CFD工具对IDC机房气流组织进行了模拟研究。
模型的建立
目前数据中心常规的空调方式是利用恒温恒湿空调提供冷量，通过地板下的“静压箱”向设备机柜提供冷气。机架通常摆设成冷热通道，冷通道为机架的进风，热通道为回风。其示意图如图1所示：
如图2所示的建筑物为本文所建立的模型，房间大小为12.4mx11.2mx4.5m（LxWxH），架空地板高度为400mm。房间里共有机架40台，每个机架功率为4.0kW。房间里设2台精密空调，每台空调的显冷量85kW，最大风量为23200m3/h。空调气流组织形式采用冷热通道，在冷通道使用开孔的地板作为送风口，开孔度为60%。
根据机房模型的实际情况，设定送风温度为16℃，相对湿度为50%。
2.模拟结果分析
空调机距离对气流的影响
由流体力学知识知道，离空调机送风口的距离越近，产生的动压愈大，沿地板送风口方向上所产生的静压就越小，沿地板送风口的风量就越小。这样离空调机越近的送风口的送风风速就越小，送风量也越小。本文通过建立模型，来验证这一结论。
图3至图6为地板下0.2m（记为y=0.2m）、地板上1.5m（记为y=1.5m）X-Z平面上不同截面的速度分布和速度矢量模拟图。
对比2个截面的速度分布和速度矢量分布结果可以看出，在远离空调的水平方向风速逐渐减少，以架空地板下0.2m平面下的冷通道为例，风速有6m/s左右衰减到3m/s左右。比较图7和图8，即y=0.2m和y=1.5m两种截面的压力分布图，可以看出来，排除漩涡影响。总的来说，在远离空调的水平方向压力逐渐增大。这就说明，在相同地板开口率面积的情况下，离空调机越远，通过地板送风口的静压越大，通过地板送风口的气流也就越多，即送风量也就越大。这正好与流体力学知识相吻合。
根据以上的结论，我们在设计阶段就可以知道：
1.机架要与空调机保持一定的距離，防止机柜得不到很好的冷却
2.在相同情况下，距空调机近的机柜得到的风量较距空调机远的机柜少。这样，就可以把一些耗电功率小的机柜放在距空调机较近的区域，把一些大的机柜放在距空调机较远的区域（也要考虑实际风机可提供的机外余压的大小）。“大小搭配”是一种很好的解决制冷效率利用率低，防止部分功率较大的机柜产生热点的一种有效方法。
地板高度对气流组织的影响
当地板下的气流的水平压力损失不一致时，通过地板送风口的气流流速就不一致了。静压箱的高度对其静压箱里气流的水平流速和压力分布有着很重要的影响。当静压箱高度提高时，气流在水平方向上就会降低，这样通过地板送风口气流的不一致性就会降低。
为此，我们建立2种不同高度数据中心的模型。分别是地板高度为400mm，地板高度为600mm，的2个模型。在其他条件都一致的情况下，来比较其冷却效果。
在模拟工况中，我们选择了几种地板高度进行模拟，并对每种工况选取相同高度的剖面图的温度场的分布进行比较。如图所示，图10为地板高度为400mm的情形，图11为地板高度600mm的情形。每种情形的剖面图均为离地板100mm（H=0.1m）的剖面图。
模拟的结果如下：
从图9至图12温度的截面图对比可以看出来，地板高度越高，温度分布越均匀。图13为2种情况下每个机架的平均进风温度对比图，从表1的对比中，可以看出，地板高度为600mm时，机架的平均进风温度比地板高度为400mm时低，且随着地板的高度的增大，气流的分布越均匀。
3.结论
根据以上的分析，可以得到一些的结论：
风速：架空地板下，离空调距离越远，水平风速越小。在相同地板开孔面积的情况下，离空调机越远，经过地板送风口的风量也就越大。架空地板越高，气流越均匀。
为了提高空调制冷的效果，达到节能的目标，可以通过以下措施来优化设计与布置设备：
1.把一些耗电功率小的机柜放在距空调机较近的区域，把一些耗电功率大的机柜放在距空调机稍远的区域。
2.将靠近空调机组的地板开口面积开大，远离空调机组的地板的开口面积逐渐开小，尽量维持架空地板的送风量的一致性。
3.有条件尽量增大架空地板的高度，这样会使地板下的气流更加均匀，送风效果更好。
参考文献：
[1]刘芳，王志刚. 某数据中心室内空调气流组织的模拟研究[J]. 建筑节能，2016，44（10）：11-17.
[2]原世杰，鹿世化. 基于热环境评价指标的数据中心气流组织模拟研究[J]. 暖通空调，2016，46（01）：66-72.
[3]陈翼翔. 数据中心机房上送风空调气流组织及运行模式分析[J]. 暖通空调，2015，45（10）：82-85.
[4]顿喆，秦赟，关欣. 基于Fluentairpak的数据中心机房的气流组织模拟优化[J]. 建筑节能，2015，43（03）：27-33.
[5]任义丽，冯梅，李捷，史立勇，张舰军. 数据中心气流组织优化研究与探索[J]. 信息系统工程，2013，（10）：140-143
[6]刘婷婷，田浩. IDC机房空调节能改造工程[J]. 节能技术，2011，29（05）：466-469.
[7]赖世能，侯福平，宗凌. IDC机房空调电源技术专题系列之一：IDC机房上下送风方式空调系统分析比较[J]. 电信技术，2005，（11）：38-40.
[8]王田丰，陈日凡，谢振华. 利用CFD仿真软件实现IDC机房空调系统最佳工作参数的灵活动态调整[J]. 电信技术，2017，（07）：56-58.