引言

如今，互联网和电子信息技术正飞速发展，随之数据中心能耗也与日俱增。数据显示，空调冷却系统已经占机房总用电量的50%左右，可见对于机房冷却系统特性的研究和优化也日趋重要，是数据中心节能的关键。而机房室内热环境是机房冷系统的主要服务对象，所以针对机房室内热环境特性的研究是数据机房冷却系统优化的前提和基础。其中，机房布置形式和室内气流组织方式对空调系统冷却效果有显著影响，合理进行优化可以提高空调系统的节能效果。

在数据中心机柜布置形式和空调系统气流组织方面，国内外学者进行了很多研究。其中，简弃非[1]等对机房内的温度场和速度场进行了计算流体动力学（CFD）模拟分析并提出了优化气流组织方案；沈恒[2]等研究了架空地板数据中心CRAC（Computer Room Air Conditioner）机组水平送风形式下CRAC机组间距对热环境的影响；王颖[3]对采用全封闭结构的冷通道的送风效果进行了研究，并探讨了其适用场合；Shrivastava[4]等研究了机架排列方式和气流组织形式；Sharma[5]等则分析了机柜负荷、冷热通道尺寸以及机柜与机房空调CRAC之间的距离对冷、热气流混合程度的影响。

本文针对上海地区典型的架空地板冷热通道隔离封闭式数据机房，根据物理尺寸，建立机房数学模型，运用CFD模拟分析了冷通道内气流组织分布情况，找出常规的机房气流组织形式的缺陷，提出了在不改变地板送风参数情况下，只改变机柜进风口形状大小和加装风扇的两种节能优化方案，并进行了模拟验证。

1 数据机房CFD基础理论

数据中心机房的热环境中涉及到了很多复杂的流体流动和传热问题，在进行数值模拟之前，需要对其建立合适的模型。本文研究的机房内流体流动和传热问题属于室内不可压缩流体的三维湍流流动与换热问题。在数值模拟中，湍流问题需要附加湍流输送方程。选用k-ε双方程模型对三维湍流流动与换热问题进行求解。该模型需要的假定条件较少，具有广泛的适用性。

1.1 基本控制方程

CFD（Computational Fluid Dynamics）技术是一种通过计算机进行数值计算和图像显示，对流体的流动和传热等物理现象进行系统分析的技术[6]，其本质就是针对具体的流体流动和传热现象选择合适的模型，求解流动基本方程：质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程。

文中涉及到的边界条件有：

Tin——服务器的进口温度；

在《青松红杏图》存世的几百年时间里，画卷终会日益敝损。 能保持几百年题画盛况不衰，源于清中后期的人们在题画同时也重新修裱，裁去裂幅，加纸以备后人继续题跋，如清末民初李慈铭、翁同龢、周荇农等。 然而解放后，崇效寺渐没，此画也下落不明。 当代画家王燕民创作《青松红杏聚贤图卷》以追昔日题咏盛况，略慰人心。

将式（11）代入（13）得：

读书既要读细，更要读深，而要做到读细、读深，最讲究的是方法。在课堂上，教会孩子正确实用的读书方法，是培养孩子浓厚的读书兴趣最为关键的一步。课堂上，让孩子明确精读与浏览的区别、速读与跳读的恰当选择，掌握良好的写批注的方法，同时培养乐于交流的读书习惯：

质量守恒方程，也称为连续性方程。任何流动问题都必须满足连续性方程，方程的具体形式如下：

 

将式（9）代入并展开，可得如下形式：

t——时间；

u、v和w——分别为x、y、z方向上的速度分量。

（1）简化实际问题。要对实际模型作出一定的简化，从而建立起反映问题本质的求解模型。

引入矢量符号则式（1）可改写成如下：

 

对于不可压缩流体，其密度为常数，则可简化为：

 

（2）动量守恒方程。

动量守恒方程，又称为运动方程，该方程实际是由牛顿第二定律推到得来。在直角坐标系中，x、y、z3个方向上的动量守恒方程如下：

 

式中，u——矢量合速度；

p——微元流体上所受的压力；τxx、τxy、τzx分别为由于分子的粘性作用，粘性应力τ作用在微元体表面的分量；

Fx、Fy、Fz——分别为微元体在x、y、z方向上所受的体力。另外，τyy、τzz的表达式与（7）类似，τxz、τyz的表达式与式（8）类似，这里不作赘述。

（3）能量守恒方程。

能量守恒定律是基于热力学第一定律且任何含有热交换的流动系统必须遵守的基本定律。由热力学知识，内能i=cpT，进而通过推导，可以得到变量为温度T的能量守恒方程：

 

式中，k——流体的传热系数；

cp——流体的定压比热容；

ST——流体内热源和由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分。

分析模型中的新型消能减震复合墙板宽600 mm，高1000 mm，厚度120 mm，L型混凝土板翼缘高100 mm，翼缘厚120 mm，腹板高870 mm，腹板厚40 mm，复合墙板中防水保温材料厚40 mm。L型混凝土板的腹板内设置钢筋网单层配置φ6@100，翼缘配置φ8@80。耗能钢棒每根长120 mm，直径12 mm，间距为200 mm，钢棒距离L型混凝土板边缘100 mm，共配置两层，每层共3根耗能钢棒。如图1所示。混凝土板采用C30混凝土，纵筋采用HRB335钢筋，钢筋网采用HPB300钢筋，耗能钢棒采用HRB400钢筋。

式中，ρ——流体的密度；

 

1.2 CFD分析步骤

利用CFD技术分析流动传热问题时，主要包括以下3个步骤：

区位熵又称专门化率，可衡量某一区域某一产业的空间分布情况，测度某一产业的专业化、集中化程度．在产业结构研究中，运用区位熵指标可以分析区域优势产业的状况．区位熵大于1，表示该产业为优势产业，具有竞争力；区位熵小于1说明该产业优势地位不明显，竞争力不足[23]．计算公式为：

（2）建立相对应的数学表达式。这一步就是要建立反映各变量之间关系的微分方程及相应的求解条件。

（3）利用高准确度的数值算法求解方程。数值求解需要对求解区域进行离散。利用离散的方法，使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程。通过求解相应的代数方程，即可获得流场的离散分布。具体求解流程如图1所示。

2 数据机房CFD模型的建立

2.1 物理模型

文中所模拟的模型为上海典型的冷热通道隔离封闭式数据机房，其采用架空地板下送风-全回风的气流组织形式。机房平面图如图2所示，机房的几何尺寸为：长×宽×高=8.2 m×10 m×4 m。机房内布置了4排机柜，每排有7个机柜单元，每个机柜的尺寸为：宽×深×高=0.6 m×1 m×2 m。每个机柜内竖直高度上均匀布置5台功率为1 kW的服务器，单机柜功率为5 kW。机房内机柜的布置采用冷热通道隔离的形式，冷通道尺寸为4.2 m×1.2 m，采用0.6 m×0.6 m的标准穿孔地板块进行敷设和送风，地板开孔率为60%，在文中CFD模拟中等效设置为0.465 m×0.465 m的送风口。

  

图1 CFD技术求解流程

2.2 数学模型

针对数据中心的机房，FLUENT因其用户界面友好、算法全面、功能模块强大而广泛应用于机房热环境级热分析、机柜级热分析、PCB版级热分析及电子模块、散热器、芯片封装级的热分析等[7]。

按照机房的参数来建立其冷通道CFD模型（见图3），主要借助Fluent15.0模拟机房封闭的冷通道内的气流组织情况来分析机柜冷却效果。由于机柜内部的结构和气流走向对结果影响相对较小，可以不考虑机柜内部IT设备的排布情况，将机柜看成一个整体来进行模拟，并假设地板送出的冷风与服务器充分换热，以服务器前面板尺寸（0.45 m×0.178 m）即服务器横截面积来设置机柜进风口大小，这样大大降低了模型的复杂性，适用于以冷热通道级别为研究对象的情况[8]。

对冷通道内的流体进行假设和模型设置：

（1）冷通道内的空气气流假设为不可压缩粘性流体；

首先，对于城市居民来说，判断他们与外来人口社会距离的大小其实很简单，那就是利益的重合。如果她们的利益与迁移人口没有重合，也就是说他们的利益不会受到影响时，社会距离就比较小；相反，当城市居民觉得自身的利益会受到外来迁移人口的影响而有所损失时，就会排斥迁移者，从而有着较大的社会距离。体现在本次研究中，就是那些有着更高的收入和主观社会经济地位的城市居民与外来迁移人口的社会距离更近。因为相对于外来迁移人口，他们有着无法比拟的竞争优势，而那些收入较少、主观社会经济地位低，再加上年龄较大的城市居民则更容易体会到来自外来迁移人口的竞争，因此对他们有所排斥。

近年来，随着全球一体化的进程和我国实力的提升，留学生医学教育已成为我国高等教育的重要组成部分[1-2]。我校亦积极顺应医学教育国际化的趋势，自2007年开始招收国外医学留学生。国外留学生的培养质量关系到学校的国际声誉，也对高等医学教育的发展有着重要影响。我科多年来承担医学留学生的先天性心脏病方面的临床教学工作，现结合实际情况，探讨在先天性心脏病教学方面适合于留学生的授课方式。

（2）流体的流动为稳态湍流，具有高Re数，而且流体的湍流粘性具有各向同性；

（3）在冷通道内，由于温度对流体的密度影响不大，密度的相对变化不大，但浮力对温度分布有一定的影响，因而在计算中采用Boussinesq假设。

江西电信现网EPON网络，多采用二级分光模式，根据覆盖用户数采用2槽位或者4槽位光纤分纤箱，考虑光纤使用率及投资等因素，分纤箱上行至配线光交均配足2芯光缆或者4芯光缆。现网模式下，采用降分光比方式进行裂化，减少单PON树下实际承载用户。由于分纤箱容量、配线光缆均根据业务需求，初次建设时已足量配置，因此不需要进行再次重复建设。裂化方案如下：

发展绿色食品是落实“三农思想”的重要体现，是人民美好生活的需要，是质量兴农、品牌兴农、绿色兴农的抓手，是乡村振兴的必经道路。

（1）壁面边界条件：对冷通道内的所有壁面按绝热壁面处理；

但红江橙的发展之路却并不平坦。陈树华为我们回忆了几代红江橙园的命途多舛：“1993年，黄龙病蔓延，两万多亩橙树全部毁灭。1997年种了300多亩，2003、2004年又开始不行了……红江人不死心啊，从来没有放弃过！”

（2）地板送风口设置；送风口采用速度进口边界条件，设置送风速度为2 m/s，送风温度为18℃；

  

图2 机房平面图

（3）机柜进风口设置：进风口采用压力出口边界条件，设置压力为标准大气压力。

2.3 服务器温度方程

数据中心的机房中，机架上的服务器前后两端分别为进风口和出风口。服务器工作发热，地板送风口送出的冷风从进风口进入到服务器对其进行冷却，换热后产生的热气流通过出风口排出，而出口温度与进口温度及服务器功率有着密不可分的关联。本文借助热力学知识推导出服务器出口温度与入口温度及功率的关系。

  

图3 机柜间冷通道数学模型

假设服务器横截面积为Sser，则Δt时间内通过服务器的气体量为：

 

式中，νser——服务器进风口风速；

ρair——空气密度；

CairMΔT——Δt时间内质量，M的气体吸收的热量；

铁路是服务部门，乘客遇到自己解决不了的困难，请求车站工作人员予以帮助，这是可以理解的。但乘客所要求的帮助，必须符合两个前提：一是不干扰车站的正常工作，二是合理合规。假若眼里只有个人的要求，而不考虑这种要求的合理性、合法性，甚至还要将别人正当的拒绝当成是服务态度不好，这说轻一点，是自私自利，说重一点，是一种人性之恶与无耻。

ΔT——Δt时间内气体上升的温度值；

PserΔt——服务器产生的热量。根据能量守恒定律：

 

终身成长词典的词条《154：心流》中提到，心流，是一种将个人的精神力，完全投注在某种活动上的感觉。心流产生时，会有高度的兴奋及充实感，会感到内心的纯净，对手头任务充满自信。同时很难感觉到时间的流逝，等到结束时发现几个小时已经过去了。当一个人处在心流的状态下，大脑活动的方式，会体现出高效率和准确性，耗费的能量也较少。然而，激发心流的重要条件之一，就是要做到专注。如果注意力被负面情绪分走了一大半，就不可能产生这种体验。当然，这里说的情绪主要指的是负面情绪。可见，戒掉负面情绪，你就成功了一半。

 

式中，Tout——服务器的出口温度；

（1）质量守恒方程。

cair——气体的比热容；

Pser——服务器即时工作功率。

在文中，vser和Tin可以通过CFD模拟得出，cair、Pair和Sser为常量。可见，服务器的温度方程体现了服务器功率对温度的影响[9]。

3 模拟结果分析与优化

3.1 数据中心机房的温湿度要求

数据中心机房室内空气温湿度参数：冷通道干球温度（18±1）℃，相对湿度40%～60%，热通道干球温度（29±1）℃，相对湿度40%～60%[10]。

3.2 原模型的CFD模拟结果

由于机房冷通道封闭，地板送风口送入的冷风在进入服务器入口时温度衰减可忽略不计，此次模拟中将服务器入口温度设置为地板送风温度，即Tin=291 K。并且由于空间的对称性，等高放置的服务器入口风速相差不大，故可将服务器在竖直高度上从下往上分为五组，依次记为H1～H5，便于模拟和计算。

冷通道内竖直截面速度分布云图如图4所示，各分组服务器入口进风面流速流量及出口温度计算结果如表1所示。可见竖直高度上，随着高度的增加，服务器入口进风速度呈递增趋势，在H5处达到最大，为1.32 m/s，H1处最低，仅为0.56 m/s。利用服务器温度方程求得的服务器出口温度显示，H1处出口温度明显高于其他出口截面温度，为309.2 K，大于上海地区数据中心机房的温湿度要求（303 K）。为了满足上海地区数据中心温湿度热环境要求，尝试模拟通过在进风口加装风扇和改变进风口形状大小优化冷却效果。

3.3 加装风扇的优化模拟结果

针对机柜低端H1处服务器出口温度过大对机房内热环境不利的问题，考虑借助给服务器进风面加装风扇来改善入口风速过小，模拟中通过给服务器入口进风面适当增加表压力来实现。

“基础会计”是面向经管类专业开设的一门专业基础课。主要教学目标为，在了解会计基础理论的同时，具备根据企业基本经济业务进行账务处理的能力。主要教学内容包括：复式记账原理、借贷记账法、会计凭证填制、账簿登记、会计报表编制等。

  

图4 竖直截面速度大小分布云图

 

表1 服务器入口进风参数及出口温度计算结果

  

项目入口风速（m/s）质量流速（kg/s）出口温度（K）H1 0.56 0.39 309.2 H2 1.05 0.72 300.7 H3 1.20 0.82 299.5 H4 1.27 0.87 299.0 H5 1.32 0.91 298.7

模拟显示，当给H1出服务器进口截面施加1Pa的表压时，能取得较好的模拟结果。模拟结果如图5和表2所示。

《厕所》里的哥哥莫里有惊恐障碍患者，之前在钢琴比赛的时候发作过一次，在妈妈去世之后更是严重到闭门不出。他在整理妈妈遗物时发现了缝纫机和布料，布料和小时候妈妈穿的长裙一模一样，于是他爱上了缝纫机和穿长裙，之后他竟然也可以穿着长裙弹琴，惊恐障碍症也没有发作。缝纫机是妈妈的遗物，长裙能让他想起了和妈妈在一起的童年时光。弟弟雷，他偏爱机器人模型到着魔，如果公寓着火，他会本能抢救机器人模型，痴迷的原因是因为雷的亲生妈妈去世之后，他哭得很伤心，莫里的妈妈给他买了机器模型，开心地瞬间忘记了亲生妈妈去世的事。

  

图5 加装风扇后速度大小分布云图

 

表2 加装风扇优化模拟计算结果

  

项目入口风速（m/s）质量流速（kg/s）出口温度（K）H1 0.99 0.68 301.2 H2 0.99 0.68 301.2 H3 1.09 0.75 300.3 H4 1.15 0.79 299.8 H5 1.19 0.82 299.5

3.4 改变风口大小的优化模拟结果

通过改变各个服务器进风面的大小，可以实现服务器入口进风截面质量流速均匀，从而改善H1处出口截面局部温度过高的不利情况。模拟中，H1出风口大小不变（0.45 m×0.178 m），H2和H3尺寸减小为原来的80%，为0.45 m×0.142 m，H4和H5尺寸减小为原来的70%，为0.45 m×0.124 m，分口布置截面如图6所示，模拟及计算结果如表3所示。

  

图6 改变进风口大小后布置截面图

 

表3 改变风口大小优化模拟计算结果

  

项目入口风速（m/s）质量流速（kg/s）出口温度（K）H1 0.97 0.67 301.4 H2 1.37 0.75 300.2 H3 1.47 0.80 299.7 H4 1.53 0.73 300.5 H5 1.58 0.75 300.2

4 结语

运用Fluent15.0对上海地区典型的冷热通道隔离封闭式数据机房热环境进行了模拟分析，并针对模拟结果提出了2种优化方案，有如下结论：

（1）对于冷热通道隔离封闭式数据机房，地板送风方式存在竖直方向送风不均匀现象，从而导致靠下的服务器不能充分冷却，本次模拟中，H1即第一排的服务器出口温度高达309.2 K，高于上海地区数据机房温湿度要求。

（2）尝试不改变地板送风参数下，通过对不符合要求的服务器进风口处加装风扇，实现节能优化冷却效果。模拟显示，适当加装风扇后，服务器出口温度不均匀现象有明显改善，最高301.2 K，最低299.5 K，满足上海地区数据机房的温湿度要求。

（3）尝试通过改变进风口形状大小来调节进风量大小，使风量均匀，从而也实现不改变送风参数下优化冷却效果。模拟现实，适当改变各进风口形状大小后，H1服务器出口温度明显下降为301.4 K，达到上海地区数据机房的温湿度要求。

参考文献

[1]简弃非，魏蕤，颜永明，等.通信机房气流组织的模拟与分析[J].节能技术，2009，27（1）：35-39．

[2]沈恒，亢燕铭.水平送风工况下CRAC机组间距对机架散热的影响[J].建筑热能通风空调，2012，31（2）：60-62．

[3]王颖.模块化冷池在数据中心的研究与运用[J].建筑热能通风空调，2012，（4）：20．

[4]Shrivastava S，Sammakia B，Schmidt R，et al．Comparative analysisof different data center airflow management configurations[C].San Francisco：International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition，2005．

[5]Sharma R K，Bash C E，Patel C D.Dimensionless parameters for evaluation of thermal design and performance of large-scale data centers[C]//8th ASME/AIAA Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference，2002.

[6]范海平，曾小林.基于计算流体动力学的流量系数研究[J].机电设备，2007，24（2）：9-12.

[7]徐婷婷.高热流电子器件冷却技术的评估与分析[D].北京：北京工业大学，2009.

[8]吕超，陈光明，等.小型数据中心机房布局及气流组织研究[J].低温工程，2017，（3）：61-68.

[9]左利鹏，金小刚.数据中心的热流模拟和耗能优化[D].杭州:浙江大学，2015.

[10]何钟琪，黄霞.上海地区数据中心空调系统节能措施探讨[J].暖通空调，2011，41（8）：3-6.