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专题
2023/1/16 16:45

数据中心机房气流组织仿真技术探讨

邮电设计技术  陶文铨,靳姝琦,李 楠,戴艳俊

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部

摘要:对数据中心中冷却气流的数值仿真问题进行了详细的探讨。首先指出了数据中心气流流动与传热是一个多尺度问题,接着详细介绍了文献中现有机柜数值模型的基本思想,提出了合适机柜数值模型的条件;然后介绍了一个船用小机柜的多尺度仿真结果。对数据中心气流温度的快速获取问题,介绍了 POD 方法的基本思想。最后讨论了开发具有自主知识产权的数据中心机房气流仿真软件的重要性。

关键词:多尺度传热;机柜数值模型;POD技术;仿真软件;自主开发

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2022.12.001

引言

数据中心(Data center,DC)通常是指具备可实现数字信息的集中处理、传输、交换以及存储管理硬件的物理空间,就像是数据集中存储和运作的“图书馆”。数据中心中的核心设备为服务器网络交换设备,其他关键运营辅助设备有制冷、供电、消防、监控等系统。数据中心中的服务器及其他各类电气元件通常设置于机柜内,所以机柜是数据中心中最重要的部件。安置机柜的机房常称为主机房。数据中心的建设包括基础建筑的设计、电力能源的供给、机柜的布置、冷却方式的选择及运行中的管理、控制与操作,涉及到多个学科与专业,它是一个交叉工程领域与行业。

随着物联网、人工智能和云计算等计算科学技术的迅猛发展,我国数据中心发展也十分迅速,一个数据中心中包含的机柜数目从早先的几十个发展到目前的几千乃至上万个。与之相应的数据中心的能耗问题日益严峻,逐渐成为了社会上的用电大户。数据中心需要消耗大量电能的主要原因来自于对电子元器件的冷却需求。数据中心中包含了大量的用于处理、传输、交换及存储信息的电子元器件,它们在工作过程中都会产生热量,使得其温度升高。电子元器件的失效率随着温度升高呈指数式上升,图1 所示为典型的电子器件失效率随温度升高的变化曲线。数据中心冷却技术的根本任务就是及时排走这些热量以保证电子器件工作在允许的温度下。

图1 电子器件失效率与温度的关系

冷却数据中心的最方便及经济的方法就是空气冷却,从数据中心开始形成的早期直到现在仍然被广泛采用,冷却气流组织的好坏对节约数据中心电能的消耗至关重要。近年来随着芯片功率的不断上升,单位面积的产热量(热流密度)不断增加,空气冷却已经无法满足这些高热流密度原件冷却的需要,液体冷却开始被较广泛地采用,目前较多的是采用冷板冷却的方式,此时高热流密度的器件采用冷板冷却,而低热流密度的器件一般仍然采用空气,业界称为双通道冷却技术,对于这情形,机房气流组织仍然是影响数据中心能耗的重要因素。即使到了数据中心广泛采用浸没冷却的时候,空气冷却仍然不会失去其应用。

《数据中心设计规范》(GB 50174-2017)中指出,“在设计数据中心时,CFD 气流模拟方法对主机房气流组织进行验证,可以事先发现问题,减少局部热点的发生,保证设计质量”。气流组织研究的根本目的是要使气流中的冷量完全用于冷却电子器件,尽量减少冷热气流间的掺混,如图2 所示。本文正是基于这样的考虑,着重研究数据中心中空气冷却的数值仿真技术及其目前的研究方向。

图2 冷热气流的掺混示意图

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