数据中心机房气流组织仿真（CFD）技术

电子信息设备的气流组织形式主要3种，如图3所示。

图3  电子信息设备的气流组织 

第一种：F-R形式

它是当前电子信息设备的主流气流组织，是服务器等设备的典型进出风方式，服务器的这种进出风方式也是目前最易对服务器进行冷却的一种气流组织，且常见于冷或热通道封闭的方案中；

第二种：F-T形式

它是传输设备（比如交换器等）的典型进出风方式。

第三种：F-T/R形式

也是传输设备（比如交换器等）的典型进出风方式，常见于运营商的传输机房，并且该气流组织不易进行冷却方案的实施，容易造成冷热气流混合。 

因电子信息设备的主流气流组织形式为前进风-后出风方式，对此，电子信息设备的主流冷却方案也是基于该方式设计的。

常见的电子信息设备冷却方案（这里不讨论芯片级液冷，因为其还未成主流）包括机柜级主动式冷却（图4）、机柜级被动式冷却方案（图5）、行级冷却方案（图6）。

图4  机柜级主动式冷却方案

图5  机柜级被动式冷却方案

图6 行级冷却方案

机柜级主动式冷却方案就是业内常说的水冷机柜，可以近似认为是一个“冰柜”，将IT设备直接放在水冷机柜内进行冷却，一般常见于超级计算机中心这类高性能计算场所，其冷却介质一般是水。

机柜级被动式冷却方案是近几年中国移动主推的冷却方案，业内称之为水冷背板或热管背板，其冷却介质既可以是水，也可以是制冷剂。之所以称为被动式冷却，原因是冷却单元只有换热盘管，没有风机，完全依赖服务器自身的风机提供风压。

行级冷却方案是目前行业客户和运营商常用的方案。它采用封闭通道的方式，一般情况下是封闭冷通道形成冷池，对整列服务器机柜进行封闭式集中冷却，并且很多运营商在当前节能减排的背景下，纷纷采用这种方案对老旧机房进行节能改造，以达到降低机房PUE的目的。  

   数据中心机房级气流组织形式是与数据中心行业的发展密不可分的。机房送风包括风帽上送风，风管送风，地板下送风等。最常用的是地板下送风方式。

数据中心发展的早期，气流组织形式就是如图7所示的风帽送风方式。这种风帽送风的气流组织形式提供的送风距离较短，一般在机外余压200 Pa的情况下，送风距离为15 m。

图7  风帽送风方式

随着信息技术的发展，电子信息设备的集成度越来越高，发热量越来越大，导致单机柜功率密度达到3~5 kW。如果继续采用风帽送风方式，就会导致数据中心出现局部热点。

因此，如图8所示的地板下送风方式应运而生，并且在相当长的一段时间内成为气流组织的主流形式，直到现在这种方式在数据中心依然随处可见。地板下既是送风静压箱，也是线缆布放空间。当采用地板下送风且地板下同时布防线缆时，地板下静压箱高度不宜低于500 mm，数据中心的层高不宜低于3000 mm。

图8  地板下送风方式

当电子信息设备的功率密度进一步提高后，即使采用地板下送风也会产生局部热点。需要对数据中心局部过热的机柜进行精确送风冷却。

图9所示的风管送风方式是最直接的精确送风方式之一。风管送风方式送风距离远，并且对过热设备定点精确冷却，很好地解决了局部热点问题。但是，风管送风要求精密空调的机外余压足够大，以保证足够的送风距离和风量。另外，这种气流组织形式对风管的设计和施工工艺要求较高。

图9  风管送风方式

当前数据中心的单机柜功率密度一般设计在5~10 kW之间。如此高的散热量除了采用封闭通道方式对机柜列进行冷却，还需要对机柜就近送风冷却。图10所示的水平送风方式是这一方案的典型代表。

将精密空调直接部署在机柜列间，最短距离的靠近冷却对象，从而对机柜就近送风冷却。这种气流组织的好处是便于机柜和精密空调以模块方式部署，使得数据中心的业务与投资根据实际需求按需扩展和平滑过渡。

图10  水平送风方式

还有2种就近送风的气流组织形式，分别是图11所示的通道顶部送风方式和图12所示的机柜顶部送风方式。

图11  通道顶部送风方式

图12  机柜顶部送风方式 

      这2种气流组织常见于高热密度数据中心场景中，既可以作为主用的气流组织形式，也可以作为其他气流组织形式的补充，对高热密度机柜进行辅助就近送风冷却。其实这2种气流组织形式最符合冷气流下沉、热气流上升的热力学原理，但其缺点是在工程实施上不容易进行通道封闭。

      如果不对通道进行封闭，就会出现图13所示的环流现象和图14所示的旁流现象。这2种恶劣的气流现象都会造成气流组织混乱，出现冷热气流混合，导致冷量流失和浪费。常见的评价数据中心气流组织的指标有机架冷却指数（RCI）、回风温度指数（RTI）、供热指数（SHI）和回热指数（RHI）。 

图13  环流现象

图14  旁流现象

GB 50174-- 2017 <<数据中心设计规范>>规定：主机房空调系统的气流组织形式，应根据电子信息设备本身的冷却方式、设备布置方式、设备散热量、室内风速、防尘和建筑条件综合确定，并应采用计算流体动力学（CFD）对主机房气流组织进行模拟和验证。

• 在投标阶段：项目投标文件中在气流组织方面都要求CFD模拟验证设计方案。通过前期的CFD模拟可以提前 预测机房设计的气流组织情况，并能提取设计人员或业主所关心的各种数据，提前发现问题、解决问题。设计人员可根据CLABSO动态模拟能够直观形象展示主机房的气流组织。同时，可利用方案中的物理参数和空调参数建立出主机房的基本模型，并在此模型基础上修改输入条件，形成不同模拟方案，为业主决策提供依据，从而协助提高投标胜算。

• 在设计阶段：在方案及初设计阶段，根据CFD模拟可通过气流组织模拟技术进行设计验证，帮助选出最佳方案。CLABSO模拟可以直观形象地展示主机房内的气流组织和部件的参数，如机柜功率密度的大小、主机房层高、不同送风方式、冷热通道的宽度以及设备的进风温度、排风温度等，协助设计师进行方案选择。

•      在旧机房改造：数据机房中气流组织混乱、冷热气流混合、短路、冷量流失以及地板送风不均匀等问题，会导致空调机房制冷效率低或制冷量浪费，从而增加机房能源损耗。通过CLABSO对其环境进行模拟分析，提出气流组织优化改善措施，并可与改造前的气流组织及室内热环境进行对比。

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  CFD仿真软件      

众所周知，目前我国数据中心仿真市场均被国外软件所垄断，2020年5月美国突然宣布将包括哈尔滨工业大学在内的33家中国企业与高校机构列入“实体清单”，一些重要的工业软件被商家限制使用。当前的国际形势，自主研发数据中心气流组织软件势在必行，国产替代势不容缓。

本文部分内容摘自于公 众号：制冷空调换热器