Tileflow软件在数据中心建设中的应用.doc

Tileflow软件在数据中心建设中的应用摘要： Tileflow是专业用于数据中心服务器机房计算流体流动以及热传导问题的CFD软件。介绍了Tileflow软件应用的流体力学理论和方法，介绍其使用步骤及生成的报告，为设计人员在设计数据中心的暖通设计中应用CFD技术提供参考。关键词：数据中心 CFD技术 数值模拟 暖通空调 气流组织 1. Tileflow软件的基本介绍1.1 Tile flow 简介CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。CFD具有模拟设备简单、计算速度快、计算空间不受限制、结果直观，可以模拟各种工况的特点。随着人们对数据中心建设要求的不断提高，CFD技术已成为高标准数据中心建设过程中一个不可缺少的指导工具。但是通用CFD软件应用到数据中心的工程中，其建模、求解过程相对繁琐，对于各空调厂商的制冷设备又需要单独建模，整个CFD计算周期长，导致通用CFD软件在数据中心实际工程中的实用性不足。为此Innovative Research, Inc 推出了针对数据中心应用的专业CFD软件Tileflow目前已经更新至4.0版本。Tile flow的优势在于建模方便、设备数据库完善、计算准确快速，同时提供各类设备的自定义功能。通过CFD结果可以快速准确的发现设计方案的不足，及时调整设计，为数据中心提供安全、节能，高效的设计方案。1.2 利用Tileflow软件进行求解的步骤介绍:1） 确定物理模型：1） 确定数据中心几何形状;生成计算网格；2） 设定边界条件；2） 数值求解：地板下气流数值求解；地板上气流数值求解；3） 输出结果：Tile flow自带后处理功能可以直接显示和输出计算结果，生成可视化报告。通过Tileflow软件进行求解，可以帮助确定数据中心内精密空调的合理放置位置，以及精密空调参数的合理设置；帮助用户合理选型机房精密空调，并确保所有精密空调都运行在合理的负荷以内；确定送风口地板的合理数量，以及送风口地板的合理放置位置；给出计算机设备及机柜的排列方式，以确保整个机房内的冷热空气能够进行有效地对流；给出高架地板的合理高度，确保每个地板送风口的送风量均匀度；给出高密度计算机设备在机房内的布置位置和在机柜内的布置方式，消除机房内的热点，紧凑有效地使用机房的面积资源。通过Tileflow软件进行模拟，确保数据中心在安装结束后的使用过程中，数据中心整个系统配置合理，提供高效节能的设计方案。数据中心的整个物理环境包括：空调、地板、地板高度、机柜、机柜功率，机房高度及机房布局等很多方面，一个整体的数据中心，其气流组织设计的优劣，更能够直接反应出这个数据机房的整体运行综合能力。通过Tileflow软件的模拟，可以从量化的角度确保数据中心内的每一点的温度，控制在服务器可接受的合理范围内。2. Tileflow 计算模型数据中心使用CFD进行模拟仿真，其主要环节包括以下几个方面:建立数学物理模型、进行数值求解、将数值解结果近行后处理生成可视化报告。2.1 建立数学物理模型1） 建立数据中心物理模型：收集数据中心围护结构数据、机柜的尺寸及散热情况，空调系统的相关参数及尺寸，地板高度、机房高度，地板出线孔尺寸及数量，机房所在位置的海拔高度等相关参数。2） 建立数学模型：建立数学模型是对所研究的气流组织问题进行数学描述，为数值求解做准备工作。基本控制方程有： 质量守恒方程： 动量守恒方程： 能量守恒方程温度表达式： 涡粘系数： 在-双模方程中, 和是2个基本未知量,与之对应的离散后的输运方程为： 式中由平均速度梯度引起的紊流动能产生项, 由于浮力引起的紊流动能产生项; 可压紊流中脉动扩张项; 经验常数; 方程和方程的紊流普朗特数; 自定义源项。式中经验常数取值分别为, ,当流动为不可压,且不考虑自定义源项时, ,。2.2 进行数值求解1） 确定边界条件与初始条件 初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律; 散热量，送风温度、送风速度，围护结构的边界条件和其他边界条件。2） 划分计算网格网格分结构网格和非结构网格。例如二维三角形或四边形网格、三维四面体、三维六面体或金字塔形网格。Tile flow采用ACM网格计算法 (Sathyamurthy and Patankar, 1994; Hutchinson et al., 1988)生成复合型网格。3） 建立离散方程并求解离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。Tileflow采用耦合的计算方法，对动量和能量离散方程进行迭代求解。2.3 生成可视化报告通过计算机进行求解得到的结果是节点上的数值，因而视觉效果上不具备可观性，难以对模拟结果有一个很直观的认识，所以必须借助相关软件将模拟结果可视化，CFD的后处理可以静态显示速度、温度、压力场等图片，也可以动态的显示流体流动的流线和迹线。3. 工程实例应用介绍利用上述计算原理使用Tileflow软件,以某数据中心的高密度发热量机房为例进行CFD模拟，为该机房提供解决方案。3.1 确定物理模型：1） 确定数据中心几何形状;生成计算网格：依据数据中心机房实际尺寸,吊顶高度，梁、柱的位置在Tile flow中构建物理模型。Tileflow自动生成计算网格。数据中心物理模型 图12） 设定边界条件：给定精密空调、服务器机柜，送风地板等设备的边界条件。也可从Tileflow自带的机房精密空调数据库（图2）、机柜数据库（图3），送风地板数据库（图4）中选取已定义好的所需的设备。图2 精密空调数据库图3 服务器机柜数据库图4 送风地板数据库边界条件设置 图53.2 数值求解：求解计算,在Tileflow中,采用分离隐式有限体积方法求解三维N - S 方程,紊流模型采用标准k - 模型,采用耦合的计算方法，对动量和能量离散方程进行迭代求解。3.3 输出结果：计算得到的流场可以多种形式表达。图6为地板送风静压箱内气流方向与压力2维分布图，图7为架空地板上高度1828mm处气流方向与温度的2维分布图。地板送风静压箱内气流方向与压力2维分布图 图6架空地板上高度为1828mm处气流方向与温度的2维分布 图73.4 输出结果分析，提出改进建议在图7中我们可以发现在精密空调制冷量与室内冷负荷匹配的情况下，高发热量的服务器机柜后部还是出现了局部热点。分析原因后发现是精密空调出风量受到了开孔地板的数量与开孔率的限制，送风量不足；同时有2根柱子在热通道内挡住了精密空调回风。为了保证房间内服务器数量的情况下，不能增加开孔地板的数量。我们提出了行间散热精密空调以及IBM COOL-BLUE水冷背板相结合解决方案重新进行数值模拟。顺利的解决了机房的散热问题，同时又增加了机房的装机密度。模拟结果见图8。4. 结语本文介绍了Tileflow软件及其在数据中心建设