摘要： 目前CFD熱仿真在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用，主要有三種：1、設(shè)計(jì)評(píng)估，在機(jī)房設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)配置方案進(jìn)行仿真評(píng)估；2、運(yùn)營評(píng)估，對(duì)已投產(chǎn)運(yùn)營的機(jī)房存在局部過熱或耗能嚴(yán)重問題的優(yōu)化方案仿真評(píng)估；3、再評(píng)估，機(jī)房已做過CFD評(píng)估并建檔，在原有模型基礎(chǔ)上對(duì)擴(kuò)容方案進(jìn)行評(píng)估。本文結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)其中的設(shè)計(jì)評(píng)估進(jìn)行了闡述，希望對(duì)CFD熱仿真技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的推廣應(yīng)用有所借鑒。

關(guān)鍵詞：CFD熱仿真  IDC 機(jī)房 評(píng)估服務(wù) 安全 節(jié)能

    近十年來，隨著通信行業(yè)的3G/4G建設(shè)、各行各業(yè)的IDC熱潮，機(jī)房的建設(shè)數(shù)量急劇增長。對(duì)于一個(gè)機(jī)房而言，使用方最關(guān)注的莫過于安全、節(jié)能、維護(hù)便利。而隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的降臨，以及能源價(jià)格高企，安全與節(jié)能重要性更加突出。建設(shè)方對(duì)于一個(gè)機(jī)房的設(shè)計(jì)要求，開始附加上PUE的指標(biāo)。而新技術(shù)、新設(shè)備、新思維、新標(biāo)準(zhǔn)的不斷出現(xiàn)，使得原有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法遭遇挑戰(zhàn)。過去習(xí)慣保守的設(shè)計(jì)思路，不一定能滿足用戶對(duì)機(jī)房節(jié)能的要求。而過多地關(guān)注節(jié)能的效果，又不一定能保障機(jī)房的安全。要在機(jī)房建設(shè)使用之前找到答案，避免機(jī)房投產(chǎn)后出現(xiàn)問題不得不整改帶來損失，我們應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。CFD熱仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以為我們的決策提供直觀的重要參考。2018年1月1日開始實(shí)施的新版國標(biāo)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2018第7.3.1條規(guī)定：“并應(yīng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)主機(jī)房氣流組織進(jìn)行模擬和驗(yàn)證”，2017年12曰1日實(shí)施的《數(shù)據(jù)中心等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》T/CECS 488-2017規(guī)定，大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)作CFD驗(yàn)證，且標(biāo)記顯示這是必須符合的關(guān)鍵條款。

一、CFD熱仿真在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)評(píng)估中的作用

1、  驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案：對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證，包括機(jī)柜、服務(wù)器布置、空調(diào)冷量大小與擺放位置、氣流組織，看是否合理，有無局部熱點(diǎn)？各臺(tái)空調(diào)的利用率狀況如何？空調(diào)故障停機(jī)情況下機(jī)房溫升如何？空調(diào)是否適宜采取群控方式？

2、  優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)方案通過模擬驗(yàn)證后，有不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，然后對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行再次模擬，直至優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到滿意效果。

通過對(duì)設(shè)計(jì)方案的模擬驗(yàn)證、優(yōu)化，避免主觀失誤，保護(hù)業(yè)主投資，減少或避免機(jī)房投產(chǎn)后出現(xiàn)問題的幾率，提升機(jī)房整體安全性。

二、CFD熱仿真的主要內(nèi)容與步驟

1、  建模  根據(jù)設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖紙，用CFD軟件進(jìn)行建模，即創(chuàng)造出一個(gè)虛擬機(jī)房，這個(gè)虛擬機(jī)房的機(jī)柜擺放、服務(wù)器配置、空調(diào)大小和位置、氣流組織布置，甚至機(jī)房高度、走線架布置、照明燈管數(shù)量和位置、橫梁、立柱，都依據(jù)設(shè)計(jì)方案或設(shè)計(jì)圖紙。

2、  運(yùn)算  虛擬機(jī)房創(chuàng)造完成后，將建模文件在CFD服務(wù)器上進(jìn)行模擬運(yùn)算。

3、  輸出結(jié)果  運(yùn)算完成后，輸出各種結(jié)果，包括任意平面的溫度場(chǎng)云圖（通常選取三個(gè)高度的水平面溫度場(chǎng)云圖）、空調(diào)氣流流線圖（包括送風(fēng)、回風(fēng)氣流流線圖）、各空調(diào)利用率、各機(jī)柜過熱狀況示意圖、機(jī)房熱負(fù)荷分布圖等。

4、  備用\故障模擬   將利用率較高的空調(diào)關(guān)閉，再次提交運(yùn)算，并輸出結(jié)果。

5、  如果對(duì)輸出結(jié)果滿意，跳到步驟7；如果對(duì)結(jié)果不滿意，執(zhí)行步驟6。

6、  優(yōu)化模擬  根據(jù)上面的輸出結(jié)果進(jìn)行方案的優(yōu)化，再次提交運(yùn)算并輸出結(jié)果，滿意的執(zhí)行步驟7，不滿意則重復(fù)步驟6，直到輸出結(jié)果滿意。

7、  評(píng)估結(jié)論  根據(jù)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和優(yōu)化模擬結(jié)果，給出對(duì)該設(shè)計(jì)方案的評(píng)估結(jié)論。設(shè)計(jì)方案不存在問題的，給出肯定意見；設(shè)計(jì)方案存在問題的，給出優(yōu)化建議。

三、某數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)評(píng)估案例

    1、機(jī)房概況  某數(shù)據(jù)中心的一個(gè)核心機(jī)房面積約660㎡，主設(shè)備區(qū)采用防靜電地板下送風(fēng)及上走線方式，空調(diào)區(qū)與主設(shè)備區(qū)用墻隔開，空調(diào)送回風(fēng)用風(fēng)管連接到隔墻上的風(fēng)閥。機(jī)房層高5.2米，防靜電地板高度為0.6米。機(jī)柜布局為冷熱通道設(shè)計(jì)，通道不隔離，冷通道內(nèi)用開孔地板送風(fēng)。機(jī)柜高度2.45米，共252個(gè)，單機(jī)柜設(shè)計(jì)負(fù)載為6KW。空調(diào)分布于上下兩邊的空調(diào)房間內(nèi)，每邊各安裝7臺(tái)P3140DR的空調(diào)，均采用6主1備方式。空調(diào)額定風(fēng)量為37260m3/h，采用送風(fēng)溫度控制，設(shè)定為18℃。平面布局圖如圖1所示：

圖1  機(jī)房平面布局圖

2、 建模  根據(jù)設(shè)計(jì)資料，在CFD軟件上面創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)房，如圖2所示：

圖2  虛擬機(jī)房

3、  運(yùn)算  虛擬機(jī)房建好后，就可以開始模擬各種方案，然后將建模文件在CFD服務(wù)器上提交運(yùn)算后，輸出各種結(jié)果：

各機(jī)柜過熱情況如圖3所示：

圖3  機(jī)柜過熱示意圖

可以截取多個(gè)高度的溫度場(chǎng)云圖，通常截取3個(gè)高度，圖4為0.2米高度：

圖4  0.2米高度溫度場(chǎng)云圖

開孔地板送風(fēng)量模擬結(jié)果如圖5：

圖5  開孔地板送風(fēng)量

空調(diào)利用率如圖6所示：

圖6  空調(diào)利用率

從上面的幾個(gè)輸出結(jié)果看，存在開孔地板送風(fēng)不均勻、熱通道氣流串到冷通道的問題，導(dǎo)致有較多的機(jī)柜處于過熱或臨近過熱狀態(tài)。所以，可以進(jìn)一步做優(yōu)化的方案模擬，比如，將地板高度抬升到0.8米，再次提交計(jì)算，輸出結(jié)果：

各機(jī)柜過熱情況：

圖7  機(jī)柜過熱示意圖

取同樣的三個(gè)高度的溫度場(chǎng)云圖，圖8為0.2米高度的溫度場(chǎng)云圖：

圖8  0.2米高度溫度場(chǎng)云圖

開孔地板送風(fēng)量模擬結(jié)果：

圖9  開孔地板送風(fēng)量

空調(diào)利用率結(jié)果：

圖10  空調(diào)利用率

    從上面優(yōu)化方案的模擬結(jié)果看，機(jī)柜過熱情況有所改善，但還不理想。還可以再進(jìn)行冷通道封閉、改變空調(diào)風(fēng)量大小、改變開孔地板開孔率等優(yōu)化方案的模擬。

以上都是根據(jù)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行滿負(fù)載的模擬仿真，也可以根據(jù)機(jī)房主設(shè)備安裝計(jì)劃，進(jìn)行部分負(fù)載的模擬。同時(shí)，還可以對(duì)各臺(tái)空調(diào)進(jìn)行主備運(yùn)行的模擬，或空調(diào)停機(jī)備用模擬（故障模擬）等。輸出的結(jié)果，可以為各機(jī)柜負(fù)載配置、空調(diào)冷量大小和安裝位置、防靜電開孔板位置等提供設(shè)計(jì)依據(jù)或效果驗(yàn)證。限于篇幅，本文不再一一展開。

四、維諦技術(shù)CFD熱仿真在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)評(píng)估上的應(yīng)用總結(jié)

1、  在機(jī)房設(shè)計(jì)階段就采用CFD仿真技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，可以最大限度地避免由于設(shè)計(jì)原因帶來的機(jī)房運(yùn)行問題，減少由于運(yùn)行問題造成的機(jī)房整改投入，保護(hù)業(yè)主的投資；

2、  采用CFD仿真技術(shù)，可以模擬各種設(shè)計(jì)方案，對(duì)機(jī)房設(shè)計(jì)提供直觀的參考依據(jù)，起到優(yōu)化設(shè)計(jì)、減少甚至避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的作用；

3、  采用CFD仿真技術(shù)，可以模擬機(jī)房的各種使用情況，對(duì)業(yè)主分階段負(fù)載投入、節(jié)能運(yùn)行、安全運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。