对采用行内冷却系统的数据中心而言，提高送风流量均匀性的数值研究

《Journal of Building Engineering》：A numerical investigation of enhancing supply air flowrate uniformity for data centre with in-row cooling system

本文采用验证的CFD模型研究在行冷却系统（IRCS）中不同服务器布局、冷 aisle宽度及倾斜角对气流均匀性及服务器入口温度的影响，提出Airflow Non-uniform Index（ANI）评估指标，并通过科里奥利效应导流板设计解决冷 aisle气流倒灌问题，验证其可降低约53.5%的气流不均匀性。

　　

Juanjuan Jiao|Chuanyong Zhu|Yan Li|Liang Gong

中国石油大学（华东）新能源学院，中国

摘要

本研究提出了一个计算流体动力学（CFD）模型，用于研究不同配置的行内冷却系统（IRCS）的性能，以提高供气流量的均匀性。本文提出了一种新的评估参数——气流不均匀指数（ANI），用于评估冷通道内供气流量的均匀性，并评估其对服务器入口温度（T_in,s）的影响。分析了机架内四种不同服务器配置对防止空气循环的效果。结果表明，在IT负载较低和较高的情况下，分别将服务器分布在机架顶部和均匀分布在机架内部具有节能潜力。尽管冷通道宽度（W_c）和排倾斜角度（α）经过设计以优化供气流量，但冷通道内的冷气流逆流现象仍然明显，服务器入口处的温度降低效果有限。因此，本研究进一步提出了一种基于科恩达效应的新导向器供气策略，其中导向器与机架前门形成一定角度（β）。该策略对于分布在机架顶部的服务器被证明是有效的。与基准情况（β = 0°）相比，当W_c从0.6m变化到1.5m时，β在60°以下的情况，ANI降低了约26.7%–53.5%。

引言

随着全球信息化的快速发展，大数据已成为国家的重要战略资源，开启了技术创新的新时代，并推动了经济转型和增长。因此，作为数据载体的数据中心（DC）的数量和规模持续稳定增长。然而，数据中心带来了明显的能源消耗问题。据统计，数据中心目前占全球电力消耗的1%-1.5% [1]，[2]。数据中心的能源使用量每年增长约5%。到2030年，其消耗量可能达到全球电力的3%。传统数据中心的关键组成部分包括服务器IT设备、冷却系统、电力基础设施和其他关键元素 [4]。其他负荷（如照明和人员相关因素）通常只占总能源消耗的2-10% [47]。由于大多数数据中心采用空气冷却方式，而空气的传热能力较差，冷却系统和服务器IT设备的能源消耗占总电力的40%以上 [5]。虽然液体冷却 [6]、喷雾冷却 [7]、[8] 和浸没冷却 [9]、[10] 等先进冷却方法可以显著降低冷却功耗，但由于空气冷却简单、维护方便、成本效益高且能满足各种需求，因此仍被广泛使用 [11]。因此，有必要改进数据中心的气流分布。

如图1所示，空气冷却方法包括抬高地板冷却系统（RFCS）和行内冷却系统（IRCS）。RFCS利用抬高的地板创建一个地板下的空腔来分配冷空气给数据中心设备。冷空气由位于周边的空调提供，并通过穿孔地板瓷砖输送到冷通道。IRCS将冷却单元放置在服务器机架之间，直接针对热源进行冷却。与RFCS相比，IRCS使排冷却单元（RCU）模块能够更接近IT设备，从而缩短冷却气流路径，并提供灵活的控制方案，有效冷却高功率IT设备 [12]。IRCS的设计旨在防止不必要的过量冷空气供应，从而减少浪费 [13]。Priyadumkol等人 [14] 通过采用IRCS解决了RFCS无法有效将冷空气输送到机架顶部的问题。Cho等人 [15] 强调了评估空气热管理系统性能的指标的重要性。与RFCS相比，IRCS的供应热指数（SHI）和机架冷却指数（RHI）分别提高了37.1%和20.0%。Moazamigoodarzi等人 [16]、[17] 发现，部署两个行内冷却单元可以将平均前室温度降低约15%。

在许多数据中心，局部温度比平均环境温度高8-10K [18]。热点问题通常与冷却能力不足有关。由于“瓶颈效应”，人们通常会增强制冷单元的容量或降低供气温度以降低局部温度。然而，制冷单元的冷却能力实际上足以消除热点。冷空气旁路（CAB）[19] 和热空气循环（HAR）[20] 等问题的存在导致气流组织管理不当。有效的气流管理可以为优化空气分布提供解决方案，进一步消除热点，使服务器能够在较高的环境温度下运行 [21]、[22]。Huang等人 [23] 全面总结了从冷源到热源附近的气流管理策略的原理、优点和缺点。Yan等人 [24]、[25] 通过添加柔性挡板改善了RFCS中的空气分布，观察到机架热点温度降低了约1.9 ～ 2.5 K。此外，将服务器倾斜30°可以减少热点并提高传热效率。Sakanova等人 [26] 调整了模块的角度和间距，以改善出口的均匀性。Chu等人 [27] 研究了服务器和热交换器的排列对垂直气流均匀性的影响，发现服务器的冷却性能主要取决于其在机架上的位置。他们还在RFCS的空气供应格栅下方放置了一个三角形导向板。结果表明，导向板有效引导气流朝向风扇，减少了湍流 [28]。Jin等人 [29] 探讨了服务器位置与气流分布之间的关系。他们的研究表明，服务器的位置显著影响了服务器入口处的气流分布。在RFCS中，热空气的泄漏主导了温度分布 [30]。Wang等人 [31] 设计了一种创新的抽屉式机架，可以改变有效深度，并扩大热通道内的可用空间。这种修改使平均温度降低了2°C，最大温度降低了13.3°C。气流优化主要集中在RFCS上。Cho等人 [36] 评估了不同的行内冷却单元和通道布置。数值模拟证实，与热-冷-热通道布局相比，冷-热-冷通道布局至少可以提高9%的热平衡。Nada等人 [37]、[38]、[39] 通过优化基础设施布置和封闭通道研究了HAR和CAB问题。Singh等人 [48] 研究了改造抬高地板冷却数据中心对能源效率的影响，并报告称，通过优化供气和回气配置，PUE从2.18降低到了1.52。

然而，大多数关于IRCS的研究集中在优化冷却系统配置上，例如机架和冷却单元的排列 [32]、[33]，以及实施供气温度策略 [34] 和优化控制机制 [35]。IRCS设计参数的变化对缓解气流组织问题（如HAR）从而提高供气流量均匀性的影响尚不清楚。需要进一步的研究来优化IRCS的效率和热管理，确保设计参数的调整能够提高冷却性能和系统可靠性。此外，研究结果表明，对齐的IRCS配置提高了热评估和能源效率指标。尽管已经提出了IRCS，但其供气流量均匀性尚未得到充分研究，现有的指标（如RHI和SHI）是基于温度而非气流量的。这些评估指标是根据服务器和机架的进出口温度以及冷却单元的供气和回气温度得出的。然而，没有考虑气流均匀性的影响。不均匀的气流分布会导致机架内部过冷或过热，影响IT设备的性能。

本研究采用经过验证的计算流体动力学（CFD）模型来研究冷通道参数对气流分布不均和服务器入口空气温度的影响。数据中心设计师可以利用这些发现来指导IRCS的设计。该模型研究了四个维度。首先，如图2(a)所示，研究了四种典型的服务器布局。然后，考虑了冷通道宽度（W_c）和排倾斜角度（α）。特别是，如图2(b)所示，通过将机架依次偏移一定距离，整个机架排可以相对于水平线有一个倾斜角度（α）。最后，我们提出了一种新的供气策略，在图2(c)中，在机架前方放置了一个高度为2000毫米的矩形导向器。导向器与机架前门形成一定角度（β）。其余导向器以相同方式复制并垂直放置。

本研究旨在：(1) 提出一个新的评估标准——气流不均匀指数（ANI），用于评估冷通道内的气流分布，并评估其对服务器入口温度的影响；(2) 比较不同分布下的气流分布和服务器入口温度性能，以确定能够消除HAR的分布；(3) 研究冷通道宽度和机架排倾斜角度对气流性能的影响，以评估缓解气流分布不均的可能性；(4) 通过引入导向器冷却系统来防止冷通道内的冷气流逆流现象，提高气流流量均匀性，并降低行内热环境中的服务器入口温度。

章节片段

控制方程和湍流模型

已发表的研究表明，风扇驱动的数据中心的主要特征是湍流条件。标准k-ε湍流模型通过求解湍流动能和耗散率的额外方程，证明了其在模拟湍流条件方面的准确性和效率 [44]、[45]。与k-ω湍流模型、剪切应力传输（SST）和雷诺应力模型（RSM）相比，k-ε湍流模型表现更好

四种典型服务器分布配置的比较

从图5可以看出，从B7的角度看，排B的机架和RCU排列是对称的。因此，本研究仅考虑了B1-B7的气流分布和温度变化，以简化分析。

图7展示了在相同供气条件下，四种服务器分布配置对气流组织的影响。在配置1至4中，服务器分别分布在机架的顶部、中部、底部以及均匀分布在

结论

我们研究了四种典型服务器配置对采用IRCS的数据中心的气流和热性能的影响。通过经过验证的CFD模型，证明了将服务器分布在机架顶部或均匀分布在机架内部的有效性，可以抑制HAR。然而，由于冷通道中的CAR，这两种配置仍存在一些局限性。定义了一个新的参数ANI来评估局部气流特性。

作者贡献声明

Liang Gong：监督、资源、方法论、资金获取。Juanjuan Jiao：撰写——原始草稿、调查。Yan Li：监督、概念化。Chuanyong Zhu：撰写——审阅与编辑

资助

本工作得到了国家自然科学基金（重点项目）[授权号52536006]、国家自然科学基金 [授权号52276090]和山东省自然科学基金 [授权号ZR2019ZD11]的支持。

利益冲突声明

我们证明我们充分参与了这项工作，对配置设计、方法和结果的适当性承担公共责任。我们已经审阅了手稿的最终版本，并批准其发表。据我们所知，该手稿尚未全部或部分发表，也没有在其他地方被考虑发表。