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1、基于Airpak的绿绿色机房模型仿真评评价与控制吉林大学概述机房模型建立及求解变变量说说明3 3问题问题 重述与分析3 12 模型假设设模型评评价与推广3 54一.问题问题 重述与分析随着人们对们对 高密度计计算,多任务计务计 算的需求,越来越多的高性能数据中心或互联联网中心（DC,IDC）建成，为为了保证证机房内设备设备 健康运行,数据中心制冷系统统必须须根据机房内热热点的温度（室内最高温度）向机房送配冷气.合理地给给服务务器分配工作任务务,能够够降低机房内热热点的温度,达到节节能目的.绘制机房冷,热通道的热分布及流场分布,求出室内热点的位置;机房热分布数学模型的建立与比较;机房实际 任务量
2、下的最优任务分配方案求解;按照电子信息系统机房设计规 范C级要求控制机房温度, 服务器设计 任务量一定条件下,对空调的送风速度或送风温 度的合理控制. 机房内流体为不可压缩 牛顿流体,且符合Boussinesq假设; 室内流体为粘性流体,流体作定常流动,忽略由流体粘性 力做功所引起的耗散热; 假定流场具有高的紊流Re数,流体的紊流粘性各向同性; 不考虑机房外部传热 的影响; 将机房近似看作封闭系统; 不考虑机房内其他辅助设备 (如PDU等)对整个模型影 响; 流动为 紊态流动; 忽略固体壁面和室内物体表面的热辐 射.二.模型假设设时间维数扩散通量W(t)空调系统的工作负荷三.变变量说说明变变量
3、变变量说说明各通道的横坐标值 ,纵坐标值 ,高度值通用变量速度矢量源项动量热源,污染源等引起的源项为湍流脉动动 能的耗散率各通道主机的横坐标值 ,纵坐标值 ,高度值湍流速度编号为 的机柜任务分配因子编号为 的机柜附近处热 点温度编号为 的机柜的发热 功率变变量变变量说说明空气动力粘度,取机房中机柜编号,R机房内热点处的温度机柜满负 荷工作时发热 功率“标定温度法“中的标定温度距离变量湍流脉动功能空气密度,取1.237三.变变量说说明四.机房模型建立及求解问题问题 一:绘绘制机房冷,热热通道的热热分布及流场场分布,求出室内热热点的位置1. 冷,热热通道的热热分布热热通道冷通道问题问题 一:绘绘制
4、机房冷,热热通道的热热分布及流场场分布,求出室内热热点的位置2. 冷,热热通道的速度分布热热通道冷通道四.机房模型建立及求解问题问题 一:绘绘制机房冷,热热通道的热热分布及流场场分布,求出室内热热点的位置3. 机房内最高温度位置四.机房模型建立及求解利用MATLAB编程可求解室内温度最高位置在通 道3（热通道） , 处,最高温度为为 56.1725问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较1. CFD分析方法四.机房模型建立及求解建立模型 （Build Model）生成网格 （Generate Mesh ）检测结检测结 果 （Examine Results）计计算求解 （Calculat
5、e Solution）AirpakFLUENT问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较2 . 研究对对象的物理模型边边界条件整个计算空间大约283m3,考虑 到机房的复杂性,采用混合网格对 计算区域进行离散,即采用变步长 的方法对网格进行划分,对气流速 度变化较快的区域进行不同程度的 网格加密,根据题目中所给数据插 值来施加周期边界条件: a)送风口和回风口分别设为风 速 进口边界和出口边界; b)机架设为热 通量边界,数值上取 其总发热 量与散热表面积之比; c)机房的边界设为 恒温边界.四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较3 .网格划分由于机房内结
6、 构复杂,为了更准 确的反映房内的 气流组织 ,在划分 网格时对 有物体 的地方,如空调,机 柜群等处网格相 对其他地方更细 密.右图为 不同截 面的网格分布.四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较4 .计计算求解建立数学模型是对所研究的流动问题进 行数学描述,连续 性方 程,动量方程,能量方程都可以写成下列通用控制微分方程的形式: 连续 性方程:K方程:方程:由于控制方程是非线性的,所以在达到收敛精度之前,需进行迭代求解. 我们采用的Airpak利用有限体积法,把计算区域划分为离散的控制体积网 格,在每个控制体积上积分控制方程,形成计算变量的代数方程,然后进行
7、迭 代求解.四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果 I.热分布图按附件数据给定相关参数后得到机房的热分布图.冷通道（通道2）热热分布热热通道（通道3）热热分布1）下图为 冷,热通道的热分布图.四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果 I.热分布图 2）下图分别为 距离空调位置2.4m,5m和7.2m的截面热分布图.距空调调2.4m截 面:距空调调位置 5m:距空调调位置 7.2m截面:四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果 I.热分布图
8、 3）下图分别为 模型的整体热分布立体图和气流图.热热分布立体图图热热分布气流图图四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果 II.速度分布图按附件数据给定相关参数后得到机房的速度分布图.冷通道（通道2）速度分布热热通道（通道3）速度分布1）下图为 冷,热通道的速度分布图.四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果 II.速度分布图 2）图19,图20,图21分别为 距离空调位置2.4m,5m和7.2m的截面速度分布图.距空调调2.4m截 面:距空调调位置 5m:距空调调位置 7.2m截面:四.
9、机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果 II.速度分布图 3）图17,图18分别为 模型的整体速度分布立体图和气流图.速度分布立体图图速度分布气流图图四.机房模型建立及求解问题问题 二:机房热热分布数学模型的建立与比较较5 .检查结检查结 果III.结果分析与比较根据附件1绘制的热通道热分布云图可知在高度Z一定时,随着距 离空调位置Y的增加,温度呈现先增大后减小,然后又增大又减小的双 峰分布;在距离空调位置Y一定时,随着高度Z的增加,温度逐渐增大,然 后逐渐下降的趋势 ,但减小趋势 不明显.根据Airpak绘制的热通道（也取通道3）热分布可知,
10、在高度Z一定 时,随着距离空调位置Y的增加,温度先增大后减小,然后又增大又减小 的双峰分布.在距离空调位置Y一定时,随着高度Z的增加,温度总体呈 现先增大后减小的趋势 ,减小趋势 也不明显.同样比较可知,对于冷通道附件1和Airpak绘制的图形也吻合.通过过Airpak仿真得出的机房热热点温度为为56.1833,出现现在Y= 6.4617m,Z=1.8261m的位置.利用MATLAB编编程可求解室内温度 最高位置在通道3（热热通道）Y=6.8382m,Z=2.145m处处,最高温 度为为56.1725.四.机房模型建立及求解问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解1 .
11、基本思路通过查阅 文献可以得知,合理地给服务器分配工作任务,能够降 低机房内热点的温度,达到节能目的.其基本思路是对于热点（温度 高）区域附近的服务器需减少工作量,以降低产热 ;热点区域服务器 减少的工作量由冷点（温度低）区域附近服务器承担,使冷点区域的 温度上升,最终使整个机房内温度不会出现明显差异（热点与冷点 的温度差减小）,达到降低机房内热点温度值的目的.采 用 方 法1.普通方法2.智能方法.“倒数法“.“倒序法“. “标定温度法“平均分配四.机房模型建立及求解问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解2. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的普通平均分配方案为
12、使服务器的实际 任务量为0.8,可将每个机柜的功率改为原来的 80%（由第二问Airpak仿真建模可知任务量为1时的发热 功率为 6700W）,即每个机柜的发热 功率为5360W.采用此方案时,通过 Airpak仿真建模可以求出机房的整体热分布立体图和热分布气流图如 下.普通平均分配方案热热分布立体图图普通平均分配方案热热分布气流图图此方案下的热热点温度为为47.5795,机房内平均温度为为26.7.四.机房模型建立及求解问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解3. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的智能分配方案 I. 方案1“倒数法“智能分配方案此方案采用“倒数法
13、”对各机柜的功率重新分配任务量,即编 号为 的机柜任务分配因子 的关系式为:重新分配后编号为 的机柜的发热 功率 四.机房模型建立及求解问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解3. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的智能分配方案 I. 方案1“倒数法“智能分配方案 具体做法如下.2.将（1）中计算的数据取倒数,得到 ;3.计算各机柜任务分配因子 ,即用每个机柜的温 度倒数除以温度倒数总和;4.按上面的各机柜任务分配因子 重新分配各 机柜的发热 功率 ;5.将发热 功率 输入到用Airpak建立的仿真模 型中,可以求得采用此方案时,机房的整体热分 布立体图和热分布气流
14、图.1.利用Airpak求出各机柜热道附近的热点温度 ;此方案的热热点温度为为44.8839,机房平均温度为为27.2.四.机房模型建立及求解问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解3. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的智能分配方案 II. 方案2“倒序法“智能分配方案此方案采用“倒序法”对各机柜的功率重新分配任务量,即将 各机柜附近处热 点温度 进行排序,将热点温度最大的机柜赋予 最低的热点温度,而热点温度最低的机柜赋予最高的温度,并将 赋予温度 与 比作为各机柜任务分配因子 ,即则重新分配后编号为 的机柜的发热 功率 的计算公式为四.机房模型建立及求解问题问题
15、 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解3. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的智能分配方案 II. 方案2“倒序法“智能分配方案参照方案1的计算步骤我们可以得 出各机柜任务分配因子 和各机柜发 热功率 将发热 功率 输入到用Airpak建 立的仿真模型中,可以求得采用此方案时 ,机房的整体热分布立体图和热分布气 流图(如右图所示).四.机房模型建立及求解此方案下的热热点温度为为 46.2828,机房内平均温度为为 27.1.问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解3. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的智能分配方案 III. 方案3“标定温度法
16、“智能分配方案此方案采用“标定温度法“对各机柜的功率重新分配任务量,即考 虑标 定温度 T与各机柜附近处热 点温度 差值,具体来讲各机柜任 务分配因子 公式为则重新分配后编号为 的机柜的发热 功率 的计算公式为对于标定温度,我们给 定 四.机房模型建立及求解问题问题 三:机房实际实际 任务务量下的最优优任务务分配方案求解3. 服务务器实际实际 任务务量为为0.8的智能分配方案 III. 方案3“标定温度法“智能分配方案四.机房模型建立及求解参照方案1的计算步骤我们可以得 出各机柜任务分配因子 和各机柜发 热功率 将发热 功率 输入到用Airpak建 立的仿真模型中,可以求得采用此方案时 ,机房的整体热分布立体图和热分布气 流图(如右
