基于CFD方法對(duì)服務(wù)器氣流組織的模擬研究

周盈盈 韓冠楠 凌云志

摘? ? 要：基于CFD方法建立了服務(wù)器冷卻模型對(duì)服務(wù)器芯片區(qū)的氣流分布進(jìn)行了模擬研究。模型采用了風(fēng)扇單元作為對(duì)機(jī)柜部分氣流分布進(jìn)行調(diào)節(jié)的熱管理技術(shù)。導(dǎo)向單元與冷通道以及風(fēng)扇送風(fēng)速度作為風(fēng)扇單元的重要調(diào)節(jié)部分。

關(guān)鍵詞：CFD方法;風(fēng)冷系統(tǒng);振蕩熱管

1? 概況

數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中立的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠容納大量設(shè)備，包括伺服器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和通信設(shè)備。這些設(shè)備大多高度集成化并安裝在機(jī)柜內(nèi)。服務(wù)器日益增長的性能要求及其高度的集成化也導(dǎo)致了每個(gè)設(shè)備占地面積日益增長的熱負(fù)荷。設(shè)備運(yùn)行中將電能完全轉(zhuǎn)化為熱量并排放到環(huán)境中。因此，服務(wù)器電力需求的增長會(huì)對(duì)現(xiàn)有散熱設(shè)施帶來更大的挑戰(zhàn)，因此恰當(dāng)?shù)臒峁芾聿呗灾陵P(guān)重要。

風(fēng)冷系統(tǒng)被廣泛用于數(shù)據(jù)中心散熱。布置具有熱/冷通道布置的高架地板是數(shù)據(jù)中心最常用的策略。冷卻空氣從空調(diào)單元經(jīng)過地板靜壓箱冷卻服務(wù)器。冷空氣需要提供足夠的冷量同時(shí)，同時(shí)需要有保持較好的氣流組織分布以確保服務(wù)器可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。不良的氣流組織分布會(huì)導(dǎo)致散熱的低效性并且產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，這是導(dǎo)致元件失效的主要原因。

振蕩熱管是一種新型的熱管，由于其結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，適用性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備的冷卻。它也被稱為脈動(dòng)熱管，由Akachi于20世紀(jì)90年代首次引入。震蕩熱管由毛細(xì)管制成，毛細(xì)管被彎曲成多個(gè)回路并注入一定數(shù)量的工質(zhì)。熱管結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：蒸發(fā)部分，絕熱部分和冷凝部分。工質(zhì)在蒸發(fā)端受熱蒸發(fā)后經(jīng)由絕熱段在冷凝端放出熱量，形成汽塞液柱交替分布的流體并產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，風(fēng)冷系統(tǒng)被廣泛用于熱管冷凝端的散熱過程。

2? 數(shù)值模擬

2.1? 機(jī)柜模型

機(jī)架級(jí)模型是一種簡化模型，它研究單個(gè)機(jī)架的周邊區(qū)域。它包括地板靜壓箱部分和工作區(qū)部分。工作區(qū)部分包括通道區(qū)域以及服務(wù)器區(qū)域。通道區(qū)域可以是熱/冷通道，可以設(shè)置不同類型的封閉策略。通道區(qū)域的研究已在參考文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行了討論。靜壓箱部分被簡化為小的腔體，簡化了靜壓箱結(jié)構(gòu)對(duì)工作區(qū)的的影響。機(jī)架級(jí)模型產(chǎn)生可接受的網(wǎng)格尺寸并能減少對(duì)大型數(shù)據(jù)中心建模和計(jì)算的時(shí)間。類似的簡化方法在諸如[2]的研究中發(fā)現(xiàn)是有效的。

2.2? 模型設(shè)計(jì)

作為設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)則，機(jī)構(gòu)框架和建立的模型。在本文中，機(jī)架級(jí)模型可分為四個(gè)區(qū)域：地板入口區(qū)，機(jī)架入口區(qū)，機(jī)架出口區(qū)和過道區(qū)。可以在這些區(qū)域中設(shè)置不同的單元組合。

安裝的機(jī)架高2m，占地面積為0.48m2（600mm×1000mm）。機(jī)架包含四個(gè)模擬服務(wù)器，每個(gè)模擬器的高度為10U。

模擬器的前格柵作為入口端，后格柵作為出口端。安裝有四個(gè)風(fēng)扇的背板距離出口格柵為50mm。每個(gè)服務(wù)器模擬器寬50厘cm，高45cm。模擬器的深度為78cm。所有模擬器都由鋁制隔板隔開。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，風(fēng)扇大多被模擬為具有給定壓力-速率關(guān)系的矩形模塊。本文中模擬服務(wù)器的所有格柵都被模擬為矩形風(fēng)口。它們被簡化為全開的孔板，因此可以忽略慣性項(xiàng)的影響。在這種情況下，出口處由四個(gè)排風(fēng)扇風(fēng)扇組成，每個(gè)排風(fēng)扇作為風(fēng)扇邊界執(zhí)行，面積為144cm2，深度為4cm。風(fēng)扇的參數(shù)由MiSUMi公司提供。

地板入口區(qū)設(shè)置有軸向風(fēng)扇單元，其位于距地板面板20cm的位置。每塊活動(dòng)地板可以用圖1所示的不同類型的導(dǎo)向單元代替。軸流風(fēng)扇單元的外徑為43.5cm，輪轂直徑為25厘米。模型設(shè)置了圓柱狀的流體區(qū)域，深度為20cm。根據(jù)中天公司提供的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定準(zhǔn)確的風(fēng)扇模型。軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1400rpm。

利用商業(yè)軟件FLUENT 14.5研究了三維非穩(wěn)態(tài)湍流，該軟件基于有限體積法。采用非穩(wěn)態(tài)模型。當(dāng)流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)記錄數(shù)據(jù)。采用壓力-速度耦合模型并采用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算。 使用具有標(biāo)準(zhǔn)壁面方程以及可靠的k-e湍流模型進(jìn)行模擬。采用二階迎風(fēng)方法進(jìn)行離散化。為入口邊界條件設(shè)定沿y軸方向的均勻速度。為出口格柵和出口風(fēng)設(shè)定壓力邊界條件。對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化以滿足精度和計(jì)算時(shí)間的要求。在各個(gè)模型中，優(yōu)化的網(wǎng)格由超過七十萬個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。最小網(wǎng)格間距為0.001m，最大網(wǎng)格間距為0.05m。

3? 結(jié)果分析

總體上熱阻隨著加熱功率的增加而降低。在啟動(dòng)之前，熱阻的變化范圍很窄，有時(shí)甚至?xí)冉档驮偕仙瑓⒖嘉墨I(xiàn)中也報(bào)告了相同的結(jié)果。同時(shí)隨著風(fēng)速的增加，熱管的熱阻也會(huì)降低。當(dāng)加熱功率較高時(shí)，三維振蕩熱管啟動(dòng)，熱阻隨著加熱功率的增加而降低。隨著風(fēng)速的增加，熱阻也會(huì)增加?？梢园l(fā)現(xiàn)熱阻和風(fēng)速之間的關(guān)系在不同的加熱功率下具有相關(guān)性。

4? 結(jié)束語

本文提出了一種用于電子元器件冷卻應(yīng)用的三維振蕩熱管。研究三維振蕩熱管的氣流組織分布。基于CFD方法建立機(jī)架級(jí)模型，采用風(fēng)扇單元作為調(diào)節(jié)器，對(duì)機(jī)柜的氣流組織分布進(jìn)行了研究。

結(jié)果表明，軸流風(fēng)扇與導(dǎo)向單元結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)定向送風(fēng)從而改變氣流組織分布。但是，應(yīng)該考慮以下問題：定向送風(fēng)會(huì)加劇空氣回落問題。而冷通道封閉是一種解決空氣再循環(huán)問題的有效方案，其具有成本低廉的特點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，服務(wù)器第三層和第四層被定義為具有較大氣流風(fēng)速的區(qū)域，并且它們易受到風(fēng)扇的影響，這應(yīng)該被考慮在三維振蕩熱管的應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)：

[1] Niemann J，Brown K，Avelar V.Impact of hot and cold aisle containment on data center temperature and efficiency[J].Schneider Electric Data Center Science Center，White Paper，2011（135）：1～14.

[2] Arghode V K，Kumar P，Joshi Y， et al. Rack level modeling of air flow through perforated tile in a data center[J]. Journal of Electronic Packaging，2013（3）： 30902.

[3] Nelson G M. Development of an experimentally-validated compact model of a server rack[D].Georgia Institute of Technology，2007.