2019年整理数据中心的热场模拟分析

1、题目：数据中心的热场模拟分析摘要：影响数据中心空调房间气流组织的主要因素是入口风速、进风口的位置、进回风口的相 对位置等，本文采用Flue nt软件来模拟三维的较复杂的数据中心空调室内气流组织的流动形能量守恒方程以及k-s方程，采用固定的入口风速、出口并在 Flue nt软件中以直观的方式表示出了各种不同气流组（气流流型图），分析讨论气流分布的规律、特点及其适用场式，首先在Gambit里建立物理模型，然后对所建立的物理模型进行网格划分，选用空气流动 的质量守恒方程、动量守恒方程、 风速来对空调室内进行模拟分析， 织方案下气流的温度场和速度场 合。结果证明，利用k-S湍流模型对空调房间的气流组织

2、进行数值计算是可行的。这一数值 模拟方法也能帮助设计人员预测其气流设计方案的效果。这对于保证良好的房间空调系统气 流组织设计方案、提高室内空气品质、减少空调的能耗，对建筑物热环境的节能设计及室内 空气质量的评价都有重要的意义。In flue ncetheairc on diti onroo mofthedatace ntercurre ntofairorga ni zati onofmain factorise ntrancewind velocity,e nterthe positi ono fplacewithadraught,e nterretur ntop lacewithadraug

3、htofo ppo site po siti on etc.,t hisliterarygraceuseFlue ntsoftwareimitate3Dlya ndmoreco mp licati on sofdatace nterairc on diti onin doorc urren tofairorga nizatio no fflowform,firsti ntheGambitestablishme ntp hysicsmodel,the ntoestablishme nto fphysicsthemodelcarry on ameshdividetheli ne,thequalit

4、ywhichchoosetouseaircurre ntguardHe ngsquare thedistance,momentumguardHengsquarethedistance,energyguardHengsquaredistanceand k - ® gquar edista nce,ado pti on fixofe ntrancewin dvelocity,ex portwin dvelocitycometoairc on diti onin doorcarry onim itatea nalysis,a ndmea ntbykee pin gaview in theF

5、lue ntsoftwarevariousdissimilaritycurre ntofairorga ni zati on the projectdesce ndte mp eraturefielda ndsp eedfield(thecurre ntofairflowadiagram)ofc urren tofair,a naly sisregulation,characteristicsthatdiscusscurrentofair 'distributeanditappiysituation.Resultcertificatethatmakeuseofswiftflowmode

6、ltothecurre ntofairoftheairc on diti onroo morga ni zati on carry onnu mbercalculatio nisviable.This nu mberimitateamethodalsoabilityhel pdesig npersonn elestimat eitscurre ntofairdesig np rojectofeffect.Thisforassura ncegoodsystemcurre ntofairoftheroomairc on diti on orga ni zatio ndesig np roject,

7、exaltati onin doorairquality,decreaseairc on diti ono fabilityc on sume,hottobuil dingen vir onmen tofec ono mye nergydesig nandin doorairqualityofevaluati on allhave importance。fmea ni ng.问题重述：在一简化为长为10米，宽为9.5米，高为4米的数据中心机房内，在其机房正中间沿长度方向并排布置4排服务器机柜，每排由 5个机柜组成。每个机柜为长1米，宽0.9米，高3米，每个机柜平均分成5层，每层称为一个机架，每

8、个机架房一台服务器，每个服务器的功率为4千瓦（见图1）。由于服务器对工作环境要求比较高，特别是环境温度，通常数据中心机房需要对机房安 装风冷系统及风排热系统。风冷系统将冷风（温度 热风排到机房外。冷风道与热风道交错排列，冷风道宽1.5隙率为50%勺空心砖，冷风从空心砖进入机房冷风道。热风道宽 排风孔排出。图2 ）。机架的进风口面对冷风道，出风口面对热风道,13°）送到冷风道。风热系统将热风道的米（靠墙边略小一些），地板是空 1米，热风通过热风道顶部的 通过气流运动给服务器降温（见lOm你的任务如下:（1） 室内流场。（2）建立该问题的机房空气流场模型，给出冷送风与热排风均为0.400

9、立方米/秒的建立该问题的热场分布模型，并在（1）条件下给出该问题的温度场。如果外部环境温度为 30，机房的正常工作温度为不超过 30，计算该机房1天的制冷能耗。问题分析精密空凋/热通道冷通道热通遒合理布置机柜对于确保机柜拥有适当温度和足够的空气非常重要。采取“面对面、背靠 背”的机柜摆放及将空调设备与热通道对齐方式，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置 冷风出口，形成一个“冷通道”的冷空气区，冷空气流经设备后形成了热空气，再被排放到 两排机柜背面中的“热通道”中，最后通过热通道上方布置的回风口回到空调系统，使整个 机房气流、能量流流动通畅，不但提高了机房精密空调的利用率，而且还进一步提升了制冷

10、 效杲。基本假设：在建立数学模型前对室内气体的流动先做以下假设1气体有无数无间隙的质点连续的组成2气体质点的物理参数是空间坐标和时间的连续函数模型建立求解我们采用k-&三维湍流模型方程，为了简化问题，做如下假设1室内气体满足牛顿内摩擦定律，为牛顿流体；2室内流体温度变化不大，密度可视为常数；3室内气体的流动形式为稳态紊流；4在紊流中心区，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散;5室内空气在房间内壁面上满足无滑移边界条件。6忽略人为地产热量，比如呼吸产热等气流流动的控制方程描述室内空气流动的三维 N-S方程可由下列式表示（1 ）质量守恒方程：Pi(2 )动量守恒方程:(PUi)+上(

11、PUiUj) =OtCxii(3 )能量守恒方程:(AjiT)KSi I Pr其中：P-密度(kg/m3)t -时间(s)fdlui + 点 uj一玉ij比ii 1gXjcxi3j ext 丿icTi丿cxiA + c+ 二(-PUi uj )CXjXii -位置坐标(m) ( i=1,2,3分别表示x,y,z三个方向)Uj- xi方向的速度(m/s)4-粘性系数(kg/(m.s)湍流模型k-£模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。 程是个由经验公式导出的方程。k-£模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。标准 全是湍流的流场有效。K方程是个精确方程，&#

12、163;方k-£模型因而只对完标准k-模型的方程湍流动能方程k和扩散方程名分别如下：(Pk) +才(氐Ui)= CtCxiibk丿釦+ Gk +Gb-冷-YM +SkCXjXii0j式中：Gk 一由层流速度梯度而产生的湍流动能Gb 一一由浮力产生的湍流动能+ Cigk(GK +C3Qb) C2gp+ + SgkkYm在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动C1, C2, C3，一一常量；Ck 一一 K方程的湍流普朗特数（无因次数）:CTg一 &方程的湍流普朗特数（无因次数）;Sk、S名一一用户自定义的。湍流速度模型 湍流速度从由下式确定k2£其中C,是常量。模型常量如下

13、：Cs=1 44, CZa=1.92, CV=0.09, Ck=1.0, 6E=1.3。这些常量是从数据中得来的，包括空气、水的基本湍流。它们已经发现了怎样很好地处理墙壁束缚和自由剪切流。RNG k-z模型RNgs模型是从暂态 N-S方程中推出的，使用了一种叫” Renormalization Group数学方法。解析性是由它直接从标准k-S模型变来，还有其它的一些功能。（1） RNG k- £模型的方程”的F严一仲）+ （Pkui）=点XiXiick）+GK+Gb-陀-Ym+Sk&jck££2点XjiGk 一一由层流速度梯度而产生的湍流动能Gb 一一由浮

14、力产生的湍流动能Ym在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动C1, C2, C3,常量；bk 一 K方程的湍流普朗特数（无因次数）:一一 £方程的湍流普朗特数（无因次数）;Sk、S客一一用户自定义的。（2）有效速度模型在RNG中消除尺度的过程由以下方程:d（雪）=1.72 F dv 阿&3v_1+CvCv “00方程4是一个完整的的方程，从中可以得到湍流变量怎样影响雷诺数，使得模型对低雷 诺数和近壁流有更好的表现。在大雷诺数限制下方程得出：C皆0.0845，来自RNG理论。这个值和标准 k-&模型总的0.09很接近。在FLUENT中粘性的影响使用在方程的大雷诺数形式。当要

15、计算低雷诺数是可以直接使用给出的方程。K-C模型中的模型湍流的产生在Gk项中，表现了湍流动能的产生，是按照标准RNG带旋流修正k-£模型而做的，从糟确的K方程，这项可以定义为：Gk 甲卩jcxi为了评估 Gk和Boessinesq假设:Gk = iS2S是系数，定义为：S = J2Sij Sijk - £模型中受湍流浮力影响的 k - S模型当重力和温度要出现在模拟中时，FLUEN冲的k-z模型在K方程中考虑到了浮力的影响, 相应的也在名方程中考虑了，浮力由下式给出：Ggi昔亘Prt cxi这里：Prt 一一湍流能量的普朗特数gi重力在i方向上的分量。对于标准和带旋流修正k

16、-£模型，Prt的默认值是0.85.在RNG莫型里Prt=1/ a，这里a是由方程确定的，但是 a0Pr ucp热膨胀系数P定义为:利用Flue nt软件可以模拟出图像计算过程的残差图矗1 41 订Fig.4-1Calculation Etsvdual FLot计算完成后，我们保存它的case和data文件，然后可以通过后处理过程来显示和查看计算结果，我们截取 x=1000的平面来显示出流场的温度、速度等数据的矢量图、等值线图,直观的表示出计算结果。(ft/s)1 9»*0C1加M11 dWM11 S5sOO1.1血0013护TOflflOSIUO1*-D1II7.12fr

17、J1 Gias-ai f叭ZSTfQI1 aaOk-A； 0 0U»*D0图4-5 T= 1000平层的空T逹度分布的寻恒线图伍f酮4-5 it Lou Uy Contour cf i- 1000(t/p)1«5e*O0tfieawoo 159««O0 148e*O0 1如00 1E00 1R8 1 ilrOO0 20915«M)1 4«5e-01 3X1 3IO<hC1 1 erfrci94Z22Hft-C3冷送风与热排风均为0.400立方米/秒时的热场分布彳一6 1= 1000平面的空气速度分布的矢®5（*/s）F

18、ig.4-6 Air velocity vector of x=IOOO (n/s) 96*4022 33*024-7 x-lOOO平面的空气S度分布的等值fS图（K）Fig47 Air t<?operaturc contour of x«1000(lO冷送风与热排风均为0.400立方米/秒的室内流场。可以模拟出该速度下的速度场和温度场: ir/s )炖*1 E>>+4?专沁1 It SMI仔门 f +叩点I3 312W>nit£3frd：l 嘟T 4如心I 0013亍总、i r :揖、"W诚、 *和 i' '呻 、2 V:二iLCKT<K一f f2、7、冷送风与热排风均为0.400立方米/秒的室内流场。'艸h