CFD热仿真在数据中心设计阶段的应用探讨

摘要：目前CFD热仿真在数据中心中的应用，主要有三种：1、设计评估，在机房设计阶段对设计配置方案进行仿真评估；2、运营评估，对已投产运营的机房存在局部过热或耗能严重问题的优化方案仿真评估；3、再评估，机房已做过CFD评估并建档，在原有模型基础上对扩容方案进行评估。本文结合实际案例，对其中的设计评估进行了阐述，希望对CFD热仿真技术在数据中心的推广应用有所借鉴。

关键词：CFD热仿真 IDC 机房 评估服务 安全 节能

近十年来，随着通信行业的3G/4G建设、各行各业的IDC热潮，机房的建设数量急剧增长。对于一个机房而言，使用方最关注的莫过于安全、节能、维护便利。而随着大数据时代的降临，以及能源价格高企，安全与节能重要性更加突出。建设方对于一个机房的设计要求，开始附加上PUE的指标。而新技术、新设备、新思维、新标准的不断出现，使得原有的设计经验和设计方法遭遇挑战。过去习惯保守的设计思路，不一定能满足用户对机房节能的要求。而过多地关注节能的效果，又不一定能保障机房的安全。要在机房建设使用之前找到答案，避免机房投产后出现问题不得不整改带来损失，我们应该对设计方案进行评估。CFD热仿真技术的应用，可以为我们的决策提供直观的重要参考。2018年1月1日开始实施的新版国标《数据中心设计规范》GB50174-2018第7.3.1条规定：“并应采用计算流体动力学对主机房气流组织进行模拟和验证”，2017年12曰1日实施的《数据中心等级评定标准》T/CECS 488-2017规定，大型数据中心应作CFD验证，且标记显示这是必须符合的关键条款。

一、CFD热仿真在数据中心设计评估中的作用

1、 验证设计方案：对现有设计方案进行模拟验证，包括机柜、服务器布置、空调冷量大小与摆放位置、气流组织，看是否合理，有无局部热点？各台空调的利用率状况如何？空调故障停机情况下机房温升如何？空调是否适宜采取群控方式？

2、 优化设计方案：设计方案通过模拟验证后，有不合理的地方进行改进优化，然后对优化方案进行再次模拟，直至优化设计达到满意效果。

通过对设计方案的模拟验证、优化，避免主观失误，保护业主投资，减少或避免机房投产后出现问题的几率，提升机房整体安全性。

二、CFD热仿真的主要内容与步骤

1、建模根据设计方案、设计图纸，用CFD软件进行建模，即创造出一个虚拟机房，这个虚拟机房的机柜摆放、服务器配置、空调大小和位置、气流组织布置，甚至机房高度、走线架布置、照明灯管数量和位置、横梁、立柱，都依据设计方案或设计图纸。

2、运算虚拟机房创造完成后，将建模文件在CFD服务器上进行模拟运算。

3、输出结果运算完成后，输出各种结果，包括任意平面的温度场云图（通常选取三个高度的水平面温度场云图）、空调气流流线图（包括送风、回风气流流线图）、各空调利用率、各机柜过热状况示意图、机房热负荷分布图等。

4、备用\故障模拟将利用率较高的空调关闭，再次提交运算，并输出结果。

5、如果对输出结果满意，跳到步骤7；如果对结果不满意，执行步骤6。

6、优化模拟根据上面的输出结果进行方案的优化，再次提交运算并输出结果，满意的执行步骤7，不满意则重复步骤6，直到输出结果满意。

7、评估结论根据设计方案验证和优化模拟结果，给出对该设计方案的评估结论。设计方案不存在问题的，给出肯定意见；设计方案存在问题的，给出优化建议。

三、某数据中心机房设计评估案例

1、机房概况某数据中心的一个核心机房面积约660㎡，主设备区采用防静电地板下送风及上走线方式，空调区与主设备区用墙隔开，空调送回风用风管连接到隔墙上的风阀。机房层高5.2米，防静电地板高度为0.6米。机柜布局为冷热通道设计，通道不隔离，冷通道内用开孔地板送风。机柜高度2.45米，共252个，单机柜设计负载为6KW。空调分布于上下两边的空调房间内，每边各安装7台P3140DR的空调，均采用6主1备方式。空调额定风量为37260m3/h，采用送风温度控制，设定为18℃。平面布局图如图1所示：

图1 机房平面布局图

2、 建模根据设计资料，在CFD软件上面创建一个虚拟机房，如图2所示：

图2 虚拟机房

3、 运算虚拟机房建好后，就可以开始模拟各种方案，然后将建模文件在CFD服务器上提交运算后，输出各种结果：

各机柜过热情况如图3所示：

图3 机柜过热示意图

可以截取多个高度的温度场云图，通常截取3个高度，图4为0.2米高度：

图4 0.2米高度温度场云图

开孔地板送风量模拟结果如图5：

图5 开孔地板送风量

空调利用率如图6所示：

图6 空调利用率

从上面的几个输出结果看，存在开孔地板送风不均匀、热通道气流串到冷通道的问题，导致有较多的机柜处于过热或临近过热状态。所以，可以进一步做优化的方案模拟，比如，将地板高度抬升到0.8米，再次提交计算，输出结果：

图7 机柜过热示意图

取同样的三个高度的温度场云图，图8为0.2米高度的温度场云图：

图8 0.2米高度温度场云图

开孔地板送风量模拟结果：

图9 开孔地板送风量

空调利用率结果：

图10 空调利用率

从上面优化方案的模拟结果看，机柜过热情况有所改善，但还不理想。还可以再进行冷通道封闭、改变空调风量大小、改变开孔地板开孔率等优化方案的模拟。

以上都是根据设计资料进行满负载的模拟仿真，也可以根据机房主设备安装计划，进行部分负载的模拟。同时，还可以对各台空调进行主备运行的模拟，或空调停机备用模拟（故障模拟）等。输出的结果，可以为各机柜负载配置、空调冷量大小和安装位置、防静电开孔板位置等提供设计依据或效果验证。限于篇幅，本文不再一一展开。

四、维谛技术CFD热仿真在数据中心设计评估上的应用总结

1、在机房设计阶段就采用CFD仿真技术对设计方案进行验证评估，可以最大限度地避免由于设计原因带来的机房运行问题，减少由于运行问题造成的机房整改投入，保护业主的投资；

2、采用CFD仿真技术，可以模拟各种设计方案，对机房设计提供直观的参考依据，起到优化设计、减少甚至避免设计错误的作用；

3、采用CFD仿真技术，可以模拟机房的各种使用情况，对业主分阶段负载投入、节能运行、安全运行起到指导作用。

作者简介：

许泉明：维谛技术（Vertiv，原艾默生网络能源有限公司）热管理技术支持部专家，主要负责机房空调产品片区技术支持、机房空调系统测试评估等工作。多年机房空调技术工作经验和机房CFD热仿真经验。