丁晨光
摘 要：计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，以下简称CFD）是20世纪60年代起伴随着计算机技术迅速崛起的学科。CHAM公司在80年代推出了计算流体力学与传热学的首个商业化软件PHOENICS。在其版本不断更新的同时，新的通用软件如FLUENT、STAR-CD、CFX等也相继问世。CFD通用软件以其模拟复杂流动现象的强大功能、人机对话式的界面操作以及直观、清晰、流场的显示引起了数据中心行业的关注。
关键词：CFD 流体力学仿真 数据中心 系统优化 节能技术
中图分类号：O368 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-0-02
通信设备需要在严格的环境保障中运行，IDC机房中的设备对环境的依赖程度就更高。机房空调要完成对机房温度、湿度、洁净度和气流速度等环境参数的控制，确保机房环境达到通信设备的要求。温度、湿度都是以气流作为载体的，气流就是机房空调对环境保障最直接的表现形式。良好的气流组织，不仅可以节能，更能确保设备的安全稳定运行。
以下就CFD仿真在数据中心设计、改造等应用中的案例进行简要分析。
1 某机房设计阶段CFD应用
1.1 機房概况
机房机柜按照冷热通道隔离原则摆放，机房设计采用地板下送风+冷通道封闭，自然回风的气流组织设计，热气流受到空调回风口负压影响，被抽回空调进行冷却；冷却后的冷空气通过地板下部的空调出风口进入机房活动静电地板下，冷空气在活动防静电地板下形成冷气流正压静压层，通过布置在机柜前端的通风地板进入冷通道，形成稳定的二次正静压，再从机柜正面进入机柜，给服务器降温。
为了更加直观地了解机房内的气流组织情况，合理使用冷量，本设计方案依据已经掌握的数据中心冷却规律，从节能和充分利用精密空调能量的角度，并借助专业的气流组织分析软件进行模型建立，验证该机房内气流组织设计的合理性。
1.2 CFD仿真优化
进行气流组织计算时发现该机房左侧空调负载较其他空调高。其中一台达到90kW，1台达到104kW，而右侧空调负载率基本处于70～80kW之间，较为均衡。
造成此状况的原因是机房南侧空调分布较不均匀，左侧两台空调长期在此状态下运行，易加快设备老化，增加能耗、故障率及维护成本。采用分布更加均匀的空调布放方式，具体方案为改11台（9用2备）100kW空调为12台（10用2备）90kW空调，其中新增一台空调设置于机房西南侧。优化方案和原方案主用空调总制冷量均为900kW，针对本项目借助气流组织分析软件对比如表1所示。
对比CFD仿真分析以上两种情况可以发现，优化方案机房温度截面及机柜最大出风温度较原方案能得到明显改善及均衡。优化方案空调负载控制在66～85kW，相比于原方案负载更为均匀，空调能延长使用寿命，降低全生命周期能耗、故障率及维护成本。
2 某机房地板下气流组织改造优化
2.1 机房概况
机房采用地板下送风+冷通道封闭模式，处于已建成试运行阶段，试运行阶段发现部分机柜存在热点现象，易造成宕机风险。经初步分析，机房由于柱体较粗、机房为不规则格局（非标准矩形），导致地板下存在局部涡流现象以及柱体后部分机柜较热现象。借助专业的气流组织分析软件进行模型建立，并证实初步分析结果及分析改造方案。
2.2 CFD仿真分析
当柱体位于冷通道内，受地板下送风风速影响造成的静压差，地板出风量由近空调端至远空调端总体呈上升趋势。柱子位于列间时，总体出风量较为平滑均匀；当柱子完全位于冷通道时，柱子前方地板出风量教高，柱子后方出风量较低，受影响较为显著。
通过在地板下增加导流隔板引导地板下送风气流，调整局部负压，调整涡流中心位置达到改善地板出风均匀的目的，借助气流组织分析软件进行地板下导流板方案验证及调整。
对比CFD仿真分析以上两种情况可以发现借助气流组织分析软件反复调整地板下导流板位置，可大大改善冷通道内送风量情况，减少局部热点现象。
3 结语
数据中心机房不是简单的理想模型，由于机房专用空调是大风量低焓差的空调设备，空调出风风速较快，受机房柱子、空调位置、机柜位置等诸多因素影响，在地板下形成气流涡旋导致部分通孔地板无正压送风、地板送风量达不到理论均匀送风效果是普遍存在的现象。因此CFD仿真在参与数据中心设计及改造等场景具有一定的理论使用价值，对于机房热点规避具有很直观的参考依据，设计师在使用过程中应当根据实际落地运行结果不断积累经验，同时结合历史经验、CFD仿真结果、现场实际情况进行对照，方能做到机房布局最优解。
参考文献
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[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京.中国建筑工业出版社，2008：1886.
