大学硕士研究生答辩《空间几何结构对冷通道封闭型数据中心的热环境影响研究》模板课件（终版）

答辩人：XXX学号：XXXX导师：XXX实践指导老师：XXX答辩时间：5月13日空间几何结构对冷通道封闭型数据中心的热环境影响研究目录CONTENTS1绪论2数据中心热环境与气流组织的数值模拟研究3空调位置对数据中心热环境的影响4挡板位置及角度对数据中心热环境的影响5数据中心热环境的实测验证6结论与展望1.绪论研究背景与目的国内外研究现状存在的主要问题主要研究工作研究背景与目的1数据中心建设高速发展21世纪是网络和信息的时代，数据处理需求的巨大增长极大地带动了数据中心的建设和发展。2数据中心高能耗的特点空调系统能耗占数据中心总运行能耗的45%左右，成为主要能耗来源。3数据中心冷量浪费、局部过热现象亟待解决数据中心内出现冷量浪费、局部过热现象最主要的原因就是气流组织不合理。4地板下静压层内的气流组织在数据中心有效运作上起关键作用对地板下静压层的流场有影响的因素主要包括：静压层的高度、穿孔地板的穿孔率和地板下障碍物的位置。降低数据中心空调系统能耗或建造高能效的数据中心对节能降耗研究具有重要意义优化气流组织分布，减少局部过热现象的发生是数据中心建设必须重点考虑的问题研究目的：改善数据中心热环境品质，优化气流组织分布，减少局部热点的产生，实现空调系统节能降耗，本文提出优化地板下送风风道结构来改善数据中心热环境品质。国内外研究现状静压层高度、地板穿孔率以及空调位置情况下关于静压层高度的研究PatankarS.V利用CFD模拟了静压层高度在150mm~600mm的变化下数据中心地板下静压层内的气流分布和穿过地板的气流分布。Bhopte、JoshiY、ChoJ等通过建立数据中心不同静压层高度的CFD模型模拟计算了在不同静压层高度下地板下气流速度及穿过地板的气流速度和温度。关于穿孔地板穿孔率的研究FulpagareY等逐个研究了穿孔率25%，36%和50%的穿孔地板的热剖面，得出低穿孔率区域热气流更容易与冷气流混合的结论。FakhimB等通过CFD模拟提供了控制穿过地板气流分布的流体机械进程，并模拟计算了通过穿孔率为25%、50%、75%和100%穿孔地板的流体速度和温度，比较发现通过穿孔率25%的穿孔地板的气流分布更均匀。关于空调位置的研究NadaS.A等研究了空调的位置对数据中心热环境性能的影响，对空调垂直于机柜和空调平行于机柜两种方式对比，得出了单个空调垂直与机柜放置较好的结论。国内外研究现状关于地板下挡板的研究FulpagareY等[34]在此基础上模拟静压层内的障碍物对气流分布的影响，发现不利障碍物会使气流进入冷通道时的速度减少80%，进而减少了冷空气冷却服务器的流量，容易产生局部过热现象。SVPatankar[35]又深入研究了地板下障碍物对数据中心热环境的影响，发现在静压层内架设有利挡板会减少气流水平流动方向的末端静压，促进静压层内的压力平衡，从而调节对应进入冷通道内的风量，使得冷通道内的气流更加均匀，增加气流对机柜的冷却效率存在的主要问题以往的研究均是以个别已建成的数据中心作为研究对象，得到的结论虽然有一定的参考价值，但缺乏普遍性。以往研究单个因素对气流组织影响的过程并没有循序渐进和比较系统的研究方案，且研究手段大多是基于CFD数值模拟，少部分通过建立小规模模型进行试验研究。

数据中心地板下挡板研究主要研究工作本文以以布置有4列机柜的数据中心子模块（以下简称数据中心）为研究对象，采取冷通道封闭，机房空调正向送风、地板下送风的气流组织方案，主要研究数据中心空间几何结构对对数据中心热环境的影响，研究工作分为以下三个部分：数据中心气流组织的数值模拟研究三个影响因素的研究分析和优化设计数据中心的实测分析与模拟方法验证根据数据中心的实际尺寸建立通道封闭的数据中心数值计算模型，并进行数值求解。根据输出的可视化云图分析不同高度平面的速度场和温度场分布，得到基于模拟结果的初步结论，总结出现的热环境问题及速度场、温度场的分布特点。在原来模型的基础上，数值模拟研究空调位置、地板下挡板位置和挡板角度三大风道结构参数对气流组织的影响。根据模拟结果推荐各个影响因素的参数值范围，并逐步优化数据中心各个影响因素的参数值，最终获得地板下送风风道结构优化，气流组织合理的数据中心气流组织模型。对实勘数据中心子模块进行了实测分析。根据测量数据与第2章模拟结果的对比分析来验证CFD模拟所建模型、边界条件设定、网格划分的合理性和准确性，从而验证了优化模拟结果的可靠性，增加可信度。主要研究工作2.数据中心热环境与气流组织的数值模拟研究数值模拟模型的建立边界条件与初始值设定模拟结果分析数值模拟模型的建立空调平行于机柜，空调与冷通道在一条直线上空调平行于机柜，空调与热通道在一条直线上；空调垂直于机柜，两台空调布置在一侧空调垂直于机柜，两台空调分别布置在两侧数值模拟模型的建立假设：模型中保持服务器散热量不变，设定服务器的数量为4，平均分配热源散热量，则每个服务器的散热量为100W。机柜内服务器的尺寸为800mm×500mm×350mm，到机柜前、后门距离分别设置为10mm和20mm，到左、右柜体距离均设为50mm，服务器到机柜底部、顶部的距离分别为150mm，服务器与服务器之间间隔100mm。图5数据中心子模块物理模型图图4机柜服务器模型边界条件与初始值设定数值模拟初始值设定边界条件设定参数数值模拟环境温度（℃）28单台空调风量（m3/s）3.5空调送风温度（℃）18单台服务器发热量（W）100穿孔地板穿孔率（%）20名称边界条件空调进、出风口风扇机柜正、背面通风口服务器体热源穿孔地板多孔阶跃模型模拟结果分析数据中心立面速度矢量图数据中心平面速度矢量图数据中心单列机柜温度分布图Z=0.5mZ=1.0mZ=1.5m不同高度截面的温度分布图模拟结果分析水平方向，靠近机房空调的冷通道前段气流速度较小，在冷气流输送方向，气流速度不断增大，在冷通道中部达到峰值后随着输送距离的增加又开始逐渐减小，故靠近机房空调的3排机柜温度较高。竖直方向，冷气流在机柜底部开始扩散，到机柜中部完成衰减，再加上热气流的浮升力导致机柜顶部温度最高，出现局部过热点。机房回风口周围出现空气滞留区域，温度较高。3.空调位置对数据中心热环境的影响ASHRAE标准空调位置的研究空调位置的小结ASHRAE标准ASHRAETC9.9对数据中心冷通道内的气流温度提出建议和要求，随着科技的发展，数据中心的冷却技术的不断提高，冷通道内的推荐和要求最高温度逐渐提高，冷通道内的推荐和要求最低温度逐渐降低，从2004年到2015年ASHRAE的标准也逐渐改变，如表所示，因此本文选取的数据中心冷通道内的温度为27℃，用来判断是否符合标准。

2004版2008/2011版2015版冷通道内的最低推荐温度20℃18℃18℃冷通道内的最高推荐温度25℃27℃27℃空调位置的研究数据中心平面速度场数据中心立面矢量速度场空调位置的研究数据中心3D温度场数据中心立面温度场数据中心Z=1.3m的平面温度场4.挡板位置及角度对数据中心热环境的影响挡板位置挡板角度小结挡板位置的优化

挡板架设方式（a），（b），（c）分别为“无挡板”，“V字形”和“八字形”挡板位置的优化三种挡板模拟的静压层速度场三种挡板模拟的Z=0.6m速度场三种挡板模拟的Z=1.3m温度场静压层内架设挡板，目的是减少气流水平流动方向的末端静压，促进静压层内的压力平衡，从而调节对应进入冷通道内的风量，使得冷通道内的气流更加均匀，增加气流对机柜的冷却效率。“八字形”挡板可以促进速度场均匀分布，以及提高冷空气对机柜的冷却效率。挡板角度的优化

架设挡板示意图在得到最佳空调位置和挡板位置的数据中心的前提下，本文将静压层下的挡板以ɑ为30°—60°的角度对数据中心气流组织和热环境的影响进行研究。本文以空调中心线与远空调端壁面的交点为基准点，以15°为步长，分别是ɑ为30°，45°以及60°三种角度为研究对象。地板下挡板角度的优化

三种挡板角度模拟的Z=0.6m速度场三种挡板角度模拟的Z=1.3m温度场（a）（b）（c）

分别30°45°60°小结静压层内架设有效挡板有利于减少气流水平流动方向的末端静压，促进静压层内的压力平衡，使得冷空气进入冷通道内的气流分布更加均匀，有利于增加冷空气的冷却机柜的冷却效率。而静压层内的挡板若架设不当，使得静压层内存在多余的不利障碍物，从而导致静压层内的气流分布紊乱，不利于冷空气高效地冷却IT服务器，严重会导致服务器温度过高，发生宕机的现象。因此本文推荐最佳的静压层内的挡板架设方式为“八字形”架设方式。静压层内的挡板架设为“八字形”方式，角度的改变同样也会影响数据中心的热环境，静压层内的挡板角度过小起不到减少气流水平流动方向的末端静压的作用，挡板角度过大会遮盖住冷通道下方的穿孔地板，阻碍气流进入冷通道，因此通过对挡板角度的对比分析得到最佳的挡板角度。当挡板角度为60°时，冷通道内的气流组织最佳，机柜温度最均匀。5.数据中心气流组织的试验验证机柜周围气流组织实测分析CFD模拟的可靠性验证机柜周围气流组织实侧分析在机柜进风侧距离地板500mm、1000mm、1500mm高度位置测量气流速度，在每个机柜进风侧和出风侧距离地板500mm、1000mm、1500mm高度位置测量气流温度。为避免服务器散热风扇的气流对测试数据的影响，在测试时测量点距离机柜进风面、出风面150mm。在一个测量点测量3~4个数据，取平均值为测量结果。2测点布置1数据中心子模块实勘现场机柜周围气流组织实测分析实测仪器机柜周围气流组织实侧分析A列机柜进风侧的气流速度折线图A列机柜Z=0.5m高度平面机柜进风侧速度实测值与模拟值对比图A列机柜进风侧的气流温度折线图

A列机柜Z=0.5m高度平面机柜进风侧温度实测值与模拟值对比图CFD模拟的可靠性验证

CFD模拟结果图像

实测红外成像图像5.结论与展望结论与展望结论情况下（1）通过CFD模拟空间几何结构对数据中心热环境和气流组织的影响，发现空调位置，静压层内的挡板位置以及挡板角度都会对数据中心的热环境产生一定的影响，其中空调垂直与机柜，空调均在一侧的放置情况气流组织最佳，在此基础上在静压层内架设“八字形”型的挡板会有利于优化数据中心的气流分布，且挡板角度为60°时机柜温度最低，气流组织质量最佳，热环境品质最好。（2）空调的位置对数据中心的热环境发挥着重要的作用。在相同的条件下，不利的空调位置会导致机柜局部热点的产生，极大程度上增加了数据中心宕机的危险，而有利的空调位置不仅会减少机柜局部过热现象的产生，还会提高冷空气冷却IT服务器的效率，节能降耗。因此经过对比不同空调位置对数据中心热环境的影响，本文根据数据中心既能满足安全的要求又达到节能的目的的前提下，推荐空调垂直与机柜，空调均在一侧的放置形式。（3）静压层内架设有效挡板有利于减少气流水平流动方向的末端静压，促进静压层内的压力平衡，使得冷空气进入冷通道内的气流分布更加均匀，有利于增加冷空气的冷却机柜的冷却效率。而静压层内的挡板若架设不当，使得静压层内存在多余的不利障碍物，从而导致静压层内的气流分布紊乱，不利于冷空气高效地冷却IT服务器，严重会导致服务器温度过高，发生宕机的现象。因此本文推荐最佳的静压层内的挡板架设方式为“八字形”架设方式。（4）数据中心静压层内的挡板角度的改变同样也会影响数据中心的热环境，静压层内的挡板角度过小起不到减少气流水平流动方向的末端静压的作用，挡板角度过大会遮盖住冷通道下方的穿孔地板，