数据机房气流组织CFD模拟分析

周木军

摘要：本篇论文主要通过CFD模拟方式对数据机房气流组织进行分析。首先，对气流组织及CFD模拟相关内容进行了介绍；其次，主要对数据机房进行CFD建模分析。

关键词：气流组织；CFD；数据机房

1. 研究背景

目前，为降低冷却能耗，提高冷却效率，数据中心运营商采取了多种不同尺度的热管理方法。无论采取何种方法，目的都在于优化机房室内的气流组织。气流组织是否合理，对机房的制冷能耗和IT设备的性能有重要影响。优化气流组织的最终目标是合理控制机房空调的制冷量，使之与机柜服务器的发热量相匹配， 利用最小的制冷能耗实现冷量最大化利用，均匀分配冷气流冷却IT设备，遏制冷热气流掺混。但目前机柜架经常会出现局部过热的现象，造成IT设备故障。为了保证数据中心安全可靠运行，运营商通过降低供风温度、增加送风量等手段遏制局部过热点的出现，但往往会造成过度冷却的情况现象，导致冷量浪费，出现而局部过热和过度冷却现象情况的主要原因是气流组织不合理。

气流组织混乱主要有两大表现：一是冷气流短路。例如，在地板下送风形式下，送风孔板送出的冷气流绕过机柜服务器，直接流入回风口或混入机柜背部排出的热气流中，导致机柜服务器沿高度方向的进风量与温度不均匀，影响冷却效率；二是热气流回流。从机柜服务器背部排出的热气流未经过天花板出风口排出， 而是回流与服务器入口处的冷气流掺混， 导致机柜进风温度不均匀， 耗费冷量， 降低冷却效率。因此，冷气流短路和热气流回流导致了送风分配不均匀和冷热气流掺混等气流组织不合理问题。

为了均匀进风温度与速度， 遏制冷热气流的掺混， 进而提高机房冷却效率， 降低冷却能耗， 国内外学者们聚焦于机房气流组织的优化， 致力于研究送回风方式、封闭通道、架空地板几何因素等方面对机房热环境的气流组织的影响， 以达到优化气流组织、提高效率、降低能耗的目的。

2. CFD技术简介

CFD （Computational Fluid Dynamics）是基于计算流体动力学的计算机模拟分析软件。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

除了简单作为设计师的一个工具，CFD模拟可用于改善当前的通信机房（数据中心）的运行，用来改善机房气流组织优化过程外，查找并预测潜在的热点和其它与热有关的问题。

目前CFD在国内外通信机房（数据中心）的设计和运维中被广泛的应用，该工具已经成为设计和运维人员的重要辅助手段。

美国的数据中心标准TIA-942-A的第6.3.2.3条已经强制规定了大型数据中心设计之初，必须采用CFD工具来定量化和定型化的分析数据中心的气流组织，以便在设计之初就可以做成各个方案的对比，选型和优化。我国的《数据中心设计规范GB50174-2017》7.3:“气流组织”章节中7.3.1同样提出“应采用计算流体动力学对主机房气流组织进行模拟和验证”。

3. CFD软件-6sigmaRoom介绍

6sigmaRoom拥有大量厂家的模型数据库，如空调模型库、机柜模型库、IT 设备模型库、UPS 模型库等，所有模型库均包含相关属性参数。后处理云图、流线图形象直观，动画效果引人注目。

通过构建通信机房（数据中心）3D模型，进行CFD数值计算，仿真得出数据中心内包括空调、机柜、服务器、PDU、UPS等所有设备的温度分布；数据中心空间的整场温度分布、气流组织分布、压力场分布和湿度场的分布情况以及IT设备在工作时的入口温度、机柜内部气流状况、机柜冷却指数（RCI）、空调的送风温度和回风温度、空调利用率、房间内部气流流线图、房间效能、PUE值等仿真结果。能够生成3D动画、自动生成PPT报告。

通过6sigmaRoom软件对数据机房进行求解，可以帮助确定数据机房内精密空调的合理放置位置（包括外机），以及精密空调参数的合理设置；并确保所有精密空调都运行在合理的负荷以内；评价当前交换、传输计算机设备及机柜的排列方式，找出机房内冷热空气循环存在的深层次问题，消除机房内的热点（热区），紧凑有效地使用机房的面积资源。

数据中心的整个物理环境包括：空调、机房高度、机柜、机柜功率，机房几何结构及机房走线架布局等很多方面， 采用6sigmaRoom,可直观的了解数据中心内部的温度，风速，服务器进风温度等。

4. 某中心综合机房楼整体情况介绍

某中心综合机房楼现有机柜370余个，各类服务器等IT设备2000余台，各类动力配套系统1000余台套，建有两路来自不同变电站的10KV市电，分别负载2台2000KVA干式变压器，并配备1台2000KW的柴油发电机作为应急电源保障，供配电系统拥有三重保护。其中，四层数据机房电力供应采用典型的2N冗余架构方式进行建设，其中建有4套800KVA的UPS不间断电源系统采用1+1双机热备方式运行，建设了机房精密空调、气体消防灭火、动环监控、视频监控、极早期报警以及门禁等完备的配套系统。其中，四层数据机房面积为422平米，拥有11列普通机柜，现已安装3列机柜，总IT负载约为80KW。

5. 四层数据机房气流组织CFD模拟分析

（一）四层数据机房基础信息

机房尺寸： 32.6米 x 13.5米 x 3.6米高（不含高架地板）；

高架地板高度为550mm；

机房机柜采用面对面、背对背冷热通道隔离的布局方式；

机房共有高架送风地板168块，通风率约为55%；

服务器机柜采用封闭冷通道，后有微孔门；

机房共有12排机柜，其中：冷通道宽度为1200mm、热通道池宽度为1200mm；

机房机柜顶部安装有双层桥架，高度分别为2.2米和2.5米，宽度为60CM。

（二）四层数据机房空调配置情况

四层数据机房采用9台世图玆ASD1072A空调；

单台ASD1072A空调制冷量为100KW、风量为24,500CMH；

四层数据机房仅有5台空调开启，其中3台开启制冷功能；

在5台空调开启的情况下，空调系统送风总量为122,500CMH，远远大于散热所需的12,352CMH的需求风量；

空调设定为回风温度22.8度。

（三）四层数据机房热点温度设定

四层数据机房模拟依据TIA-942-A和ASHREA TC9.9标准，目前新版的GB50174-2017也将参考了TIA-942-A和ASHREA TC9.9 标准中的机房环境温度要求（由原来2008版本23±1℃，更换为18℃-27℃），所以在本次模拟中所定义的机房热点温度为27℃。

4. 四层数据机房CFD模拟情况

四层数据机房地板上1米截面温度图

从以上CFD模拟我们可以得出以下结论：

四层数据机房采用冷热通道隔离的方式，整体效果较好；该机房无热点机柜、热区，机房环境温度场同样符合GB50174和TIA-942-B规范规定；从目前机房设计看来，存在以下气流组织不合理的问题：该机房的空调送风总量大于实际需求，存在着浪费问题。