数据中心CFD的基本分析流程

  CFD仿真分析的基本流程，大体包含前期准备、建模与网格划分、求解计算、分析结果、最终报告与结果交付。本文以数据中心为例介绍CFD仿真分析流程。

                   CFD仿真基本流程

        1、前期准备

        需要确定分析目的与所有的输入资料，在甲方提供数据后需要进行数据校准，如果数据存在缺失、错误需要反馈给甲方续提供数据，保证数据准备准确。

2、建模与网格划分

根据输入资料创建数值模型，输入设备的几何与性能参数，完成网格划分，然后检查模型，如果有错误需要返回检查修复模型与网格问题。

3、求解计算

通过CFD求解器计算出空间、设备等的温度、速度、压力、利用率等模拟结果。

4、分析结果

通过结果分析确定方案是否可接受，如果不可接受推荐改进方案，返回到建模与网格划分部分修改模型，继续计算。

5、最终报告

最终报告要按照甲方的需求或者推荐的报告内容进行整理。

下面说明前期资料准备、建模与网格划分、求解计算、分析结果以及最终报告各阶段的详细内容：

1、 前期准备

1.1明确分析目的

要求明确任务的目的（成果的用途）、范围（工作界面的物理空间范围）、提交物的标准格式要求（如有）、资料收集／补充资料收集。

1.2、CFD分析输入资料

输入资料直接取决于CFD分析的准确性与分析的目的性，主要包括围护结构数据、内部建筑结构数据、CRAC/CRAH等冷却基础设施、白色空间、地板出风口、其它基础设施与障碍物等。

2、建模与网格划分

2.1建模

在进行CFD分析时应根据分析目的创建模型，并非创建的所有模型均为相同的等级，比如在设计方案阶段，并不知道机柜中安装什么样的IT设备，此时可以考虑将机柜设置为黑盒子，只定义几何参数与机柜负载：对运营数据中心做评估分析时需要考虑详细的机柜与IT模型、捕捉机柜内部的空气流动，以及准确的空调的控制方式等。根据不同的应用阶段，数据中心模型可分为如下几个：

（1）概念设计阶段的模型。处于初设阶段，统一的冷却系统，机柜，IT设备，无特殊需求时，所有IT设备均匀负载：

（2）详细设计阶段的模型。处于施工图、实施阶段与测试验收阶段，详细的冷却系统与控制模型、更详细的机柜模型，但仍然采用典型的IT设备类型，名义线缆路径和布线密度：

（3）用于评估改造的模型。所有的基础设施与IT设备采用详细的模型，可能需要到现场测试相关温度与流量参数：

（4）用于运维管理的模型。与评估改造的模型相似，模型用于日常运维管理，可以接入DCIM监控数据。

创建模型通常步骤如下：

（1）导入CAD图：dwg.stl/stp/igs等二维或者三维模型

（2）绘制外墙：目的是确定CFD分析区域（计算域）：

（3）创建内墙，高架地板，风口：

（4）布局机柜、设置机柜负载：

（5）设置气流遏制系统：

（6）布局冷却系统，设置参数：

（7）绘制桥架、水管，风管等：

（8）梁柱、门窗：

（9）其它基础设置建模。

2.2划分网格

从专业的CFD角度来讲，划分网格的质量直接关系到模型的求解精度，通常网格划分会占用约整个CFD分析项目的60%时间，但是随着技术进步以及专业的数据中心CFD软件的出现使划分网格变成自动化过程，显著缩短项目分析周期。

网格划分总体上分为结构网格和非结构网格，室内分析通常选择结构网格，户外分析通常选择非结构网格。因为非结构网格只在关键的设备区生成密集的网格，其它区域生成相对稀疏的网格，这样可显著降低网格的数量，对于庞大的户外模型非常有益。结构网格与非结构网格如图所示：

   

   

   

   

   

结构化网格 （左）和非结构化网格（右）

网格控制方法如下：

（1）不用设置直接求解计算：得益于自动化过程，可以忽略划分网格过程，直接点击

求解计算，软件自动生成网格，关键设备区域自动加密；

（2）只设置目标网格数量；

（3）设置为结构网格或者非结构网格；

（4）生成边界层网格；

（5）控制网格长宽比与膨胀率；

（6）自定义局部加密网格。

其中，方法（1）和方法（2）为最基本方法，对于大部分模型均优先选用方法1.划分网格数量与模型详细程度、计算面积等因素有关，以500㎡机房为例，推荐设计阶段的模型网格数不少于200万，运行维护阶段的模型网格数量不少于400万。

3、求解计算

分析求解是对离散化的仿真模型进行数值迭代计，求解NS方程（Navier-Stokesequations)、能量方程、质量守恒方程、湍流方程等，求解完成后在每个网格上得出温度、速度、压力、湿度等基本量，经过二次计算得出风量、冷量、热量、空调利用率、影响区域、机房评估指标、机房能效等推导量。

4、分析结果

对模拟结果的分析就是要确定分析的方案是否可以接受，通常可从以下几点确定：

（1）通过机柜最大进风温度分布图、过热机柜分布、过热设备分布等模拟结果，确定IT设备最大进风温度是否满足设定要求。

                       进风最大温度图

                      空调出风温度图

（2）通过温度、风速、压力截面图分析机柜温度过高或空调失效的原因，比如侧送风系统距离空调送风口最近的机柜的局部位置可能会出现过热现象，因为通常这个位置的风速较高，静压低。

                 机房空调失效分析

（3）通过高架地板下的静压分布确定地板出风口出风量不均匀的原因。

（4）通过空调的使用风量、使用冷量确定空调的利用率情况，ASE、ARE指标定量表示空调

的送风与回风效率，为合理利用空调提供依据。

                  空调冷量分布图

（5）通过RCI、RTI、SHI、RHI、MCRI等指标定量表示机房内气流组织的优劣程度，比如，如果SHI指标等于0,表示空调的冷空气在进入机柜前没有被预热，显然这种气流组织形式是好的，空调的送风效率也会高。

（6）当分析方案不满足要求时，是否还有改进方案，如果有就要进行模型调整，返回到建模与网格划分阶段。

5、最终报告

分析报告与结果交付按照甲方的要求进行，CFD模拟报告推荐包括：项目概况及输入条件、模拟结果和针对性调整措施及结论分析和建议各部分。

小  结

数据中心的CFD分析，在前期准备中要清楚确定分析目的，以及需要的输入资料:建模时要考虑针对不同的用途创建相应的仿真模型，这样做有利于兼顾CFD分析的速度与精度:在网格划分阶段，专业的数据中心仿真软件可以自动划分网格，局部区域自动加密;通过求解计算可以得到整个机房的温度、速度、压力等模拟结果;最后输出分析报告:根据分析建议与改进措施重新回到创建模型阶段，按照分析流程完成分析过程。

本文内容来自《数据中心CFD技术公 众 号》