金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心承載著金融機(jī)構(gòu)的核心業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是保障金融信息安全的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此，對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的氣流組織和冷量的分析在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃和建設(shè)中具有舉足輕重的地位。良好的氣流組織布局是保障數(shù)據(jù)中心安全、節(jié)能運(yùn)行的必要條件，氣流組織布局不良不僅會(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，影響服務(wù)器的運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還將危害整個(gè)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，給數(shù)據(jù)中心造成巨大的損失?！稊?shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2017）要求，應(yīng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ComputationalFluidDynamics,CFD）氣流模擬方法對(duì)主機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織形式進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。本文通過(guò)對(duì)某金融數(shù)據(jù)中心集裝箱機(jī)房進(jìn)行CFD技術(shù)模擬仿真，深入探討CFD技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。一、CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀CFD技術(shù)的基本原理是用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等，并通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后對(duì)代數(shù)方程組求解獲得場(chǎng)變量的近似值，從而近似地模擬流體流動(dòng)情況。CFD起源于航空航天領(lǐng)域，目前已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)，如汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)制造、土木工程、環(huán)境工程以及數(shù)據(jù)中心等。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的背景下，金融業(yè)在線業(yè)務(wù)快速發(fā)展、數(shù)據(jù)中心大規(guī)模擴(kuò)展，使得服務(wù)器機(jī)柜密度日漸升高，對(duì)數(shù)據(jù)中心提出了更高的要求——不僅要安全可靠，而且要綠色高效。CFD技術(shù)能對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房氣流組織進(jìn)行模擬，校驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性以及對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行優(yōu)化，在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來(lái)越成熟和完善。一般而言，CFD軟件通常包括以下幾個(gè)主要模塊：建立數(shù)學(xué)物理模型(前處理)、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化(后處理)。CFD軟件種類繁多，有的應(yīng)用于專用領(lǐng)域，有的可在不同領(lǐng)域中通用。目前，專門(mén)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的CFD軟件還比較少，較有代表性的軟件是6SigmaDC，其在數(shù)據(jù)中心CFD仿真應(yīng)用領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位。6SigmaDC軟件含有龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的空調(diào)、機(jī)架、服務(wù)器等模塊，這些模塊的建模數(shù)據(jù)基于經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),需要大量的機(jī)房工作經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)。6SigmaDC軟件對(duì)機(jī)房細(xì)節(jié)的模擬能精確到機(jī)房中任何一臺(tái)IT設(shè)備的間隔尺寸及運(yùn)行情況，這是其他CFD軟件不能實(shí)現(xiàn)的。二、CFD技術(shù)在機(jī)房的仿真模擬本文以某金融機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)中心的集裝箱機(jī)房為例，通過(guò)建模、CFD模擬仿真來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和優(yōu)化。1.建模集裝箱機(jī)房CAD平面示意如圖1所示，由6個(gè)集裝箱（6085㎜×2438㎜×3200㎜）拼接而成，占地約100平方米，左側(cè)兩箱為配電模塊，中間一箱為管理模塊，右側(cè)兩箱為IT模塊，最右端為制冷模塊。該集裝箱機(jī)房采用了一系列如間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)、無(wú)架空地板水平送風(fēng)、高壓直流、微模塊UPS、光伏及直流并網(wǎng)、智能母線等新技術(shù)。10個(gè)IT柜設(shè)計(jì)電力容量50KW，總用電設(shè)計(jì)需求100KW，空調(diào)送風(fēng)溫度設(shè)定為25℃，采用送回風(fēng)溫差控制，送回風(fēng)溫差設(shè)定為12℃，有干、濕和干濕混合三種工作模式。圖1

機(jī)房CAD平面示意圖2為根據(jù)CAD圖及實(shí)際情況建立的CFD模型，IT間冷通道封閉，空調(diào)為水平送風(fēng)形式，配電間與IT間通過(guò)兩風(fēng)管連接，上風(fēng)管送風(fēng)，下風(fēng)管回風(fēng)。圖2

CFD模型2.設(shè)置參數(shù)在對(duì)建好的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的過(guò)程中，空調(diào)和機(jī)柜參數(shù)的設(shè)置是最重要的，參數(shù)的準(zhǔn)確性會(huì)影響最終結(jié)果的精確度，必須保證設(shè)置的邊界條件和參數(shù)與實(shí)際環(huán)境相符，才能保證結(jié)果的可靠性。6SigmaDC的網(wǎng)格劃分及求解都是自動(dòng)進(jìn)行的，只需要設(shè)置好基本參數(shù)，讓軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。3.結(jié)果分析CFD軟件提供了多種結(jié)果的可視化顯示，圖3~5為機(jī)柜不同高度的平面溫度分布圖，根據(jù)溫度分布圖可以分析冷熱通道在不同高度的溫度分布情況。《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2017）要求冷通道溫度為18℃~27℃，圖中冷通道溫度為25℃左右，符合數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范。圖3

機(jī)柜底部溫度分布圖4

機(jī)柜中部溫度分布圖5

機(jī)柜頂部溫度分布圖6為空調(diào)送回風(fēng)流線示意。通過(guò)流線圖可以直觀感受冷熱通道以及風(fēng)管的進(jìn)出風(fēng)的空氣流動(dòng)情況。圖6

空調(diào)送回風(fēng)流線示意圖7為單個(gè)機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)流線示意，可根據(jù)流線圖分析機(jī)柜中每臺(tái)設(shè)備的氣流組織，因?yàn)榉忾]了冷通道，機(jī)柜中的進(jìn)出風(fēng)冷熱氣流的相互影響比較小。圖7

機(jī)柜進(jìn)出風(fēng)流線示意為找出可能存在的局部熱點(diǎn)，需進(jìn)一步分析各機(jī)柜的溫度分布情況。圖8為機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度與最大進(jìn)風(fēng)溫度分布示意，可以看出，離空調(diào)出風(fēng)口近的機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度低，離出風(fēng)口遠(yuǎn)的機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)偏高。另外，結(jié)果顯示，雖然機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度都低于27℃，但個(gè)別機(jī)柜的最大進(jìn)風(fēng)溫度還是比較高，超過(guò)了27℃，這說(shuō)明該模型還可以繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，直至各機(jī)柜最大進(jìn)風(fēng)溫度維持在18℃~27℃之間。

圖8

機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度與最大進(jìn)風(fēng)溫度分布示意4.問(wèn)題優(yōu)化該集裝箱機(jī)房IT間的冷通道為“T”型通道（如圖9所示，左側(cè)紅色框部分），一部分冷量在靠近風(fēng)管處堆積沒(méi)有被充分利用，造成了冷量的浪費(fèi)，可以縮小冷通道，將“T”型通道改為“L”型通道（圖9右側(cè)紅色框），提高冷通道冷量的利用率。圖9

“T”型通道改為“L”型通道圖10

“T”型通道與“L”型通道進(jìn)風(fēng)溫度比較將各機(jī)柜的最大進(jìn)風(fēng)溫度用不同的顏色分段表示（綠色為18℃~27℃，黃色為27℃~32℃），“T”型通道與“L”型通道進(jìn)風(fēng)溫度比較如圖10所示?？梢钥闯觯谙嗤瑮l件下，將“T”型冷通道改為“L”型后，機(jī)柜獲得的冷量增加，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度降低，但仍有三個(gè)機(jī)柜的最大進(jìn)風(fēng)溫度高于27℃。進(jìn)一步分析可知，機(jī)柜中IT設(shè)備的布局也可以進(jìn)行調(diào)整，不同功耗和發(fā)熱量的設(shè)備在機(jī)柜中分布可能會(huì)相互影響，這也是可以優(yōu)化的點(diǎn)。對(duì)每個(gè)機(jī)柜設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度（如圖11所示）進(jìn)行分析，溫度較高的機(jī)柜中都是功率比較大的設(shè)備，且在機(jī)柜中靠上位置，而機(jī)柜下側(cè)的溫度比較低，因此可以適當(dāng)調(diào)整設(shè)備的位置，降低設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度。圖11

IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度分布調(diào)整前和調(diào)整后的IT設(shè)備分布如圖12所示，將位于機(jī)柜上部的IT設(shè)備調(diào)整到機(jī)柜的下部。圖12調(diào)整前和調(diào)整后的IT設(shè)備分布IT設(shè)備調(diào)整前后機(jī)柜最大進(jìn)風(fēng)溫度比較如圖13所示，從機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度可以看出，調(diào)整后的進(jìn)風(fēng)溫度已完全處于18℃~27℃之間。圖13

IT設(shè)備調(diào)整前后機(jī)柜最大進(jìn)風(fēng)溫度比較5.總結(jié)與建議本文通過(guò)對(duì)某金融數(shù)據(jù)中心集裝箱機(jī)房進(jìn)行CFD仿真模擬，分析了該機(jī)房不同高度的溫度分布及空調(diào)送回風(fēng)氣流組織情況，驗(yàn)證了機(jī)房設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)各機(jī)柜及IT設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行了模擬，提出了兩種改善機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度的方法，并通過(guò)CFD仿真進(jìn)行了驗(yàn)證分析。CFD設(shè)計(jì)軟件能幫助設(shè)計(jì)者優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的流場(chǎng)，在數(shù)據(jù)中心實(shí)際部署之前校核冷卻方案的合理性，并能對(duì)已有數(shù)據(jù)中心進(jìn)行優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)中心的能源利用效率。CFD技術(shù)能夠直觀地展示溫度、壓力等數(shù)據(jù)在機(jī)房各個(gè)位置的分布，能夠模擬出空調(diào)的氣流組織運(yùn)動(dòng)情況，還能對(duì)機(jī)房中各臺(tái)設(shè)備的情況進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)房的設(shè)計(jì)驗(yàn)證具有很好的指導(dǎo)意義。同時(shí)，通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)已有的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行優(yōu)化，可在實(shí)際調(diào)整之前對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬分析，找出最優(yōu)的解決方案，這在一些優(yōu)化方案復(fù)雜及優(yōu)化調(diào)整需要大量人力物力的情況下是十分必要的。此外，CFD技術(shù)對(duì)如何建設(shè)更加綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心也具有指導(dǎo)意義。CFD仿真結(jié)果需要得到實(shí)際物理流場(chǎng)的驗(yàn)證才可靠，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)CFD技術(shù)得到的計(jì)算結(jié)果的精度受多種因素影響，如對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)仿真前置處理時(shí)的邊界條件、物性