华北某数据中心弥散式送风气流组织设计CFD模拟分析

谷长城，韩成付，郭 楠，刘 斌，张仁玉

（1.京东科技信息技术有限公司，北京 100176；
2.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

本项目位于河北省廊坊市，园区占地面积为86 632 m2，规划建设4栋数据中心机房楼，单体总建筑面积约为31 000 m2，主要包括数据机房、电力电池室、高低压配电室、制冷站以及柴发机房等，地上4层。首层层高6.8 m，2～4层层高5.4 m，总高度为23.6 m。

数据机房末端空调主要采用房间级冷冻水型机房专用空调，EC风机下沉送风、上回风。设计供水温度为15 ℃、回水温度为21 ℃，设备采用N+1冗余备份。机柜采用冷热通道方式布置，热通道封闭，机房不设架空地板，空调区设架空地板。处理后的冷空气通过空调下部静压箱弥散送入密闭的机房区通道，形成冷池，机柜内IT设备前端吸入冷空气降温后，热空气由机柜后端排出至热通道。机柜背面形成的热通道与房间吊顶层无缝连接形成热回风静压箱，热通道内IT设备排出的热空气通过回风静压箱迅速返回到空调区完成气流换热循环。封闭热通道机房设计平面和剖面如图1所示。

图1 机房平面图和剖面图

为了指导和验证设计的科学性和合理性，本项目拟采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟手段，对机房的气流组织进行模拟分析。机房相关设计参数如表1所示。模拟目标主要是控制回风温度在37 ℃以下，机房内温度场合理，无热量聚集区。

表1 机房主要设计参数

2.1 应用软件

本研究采用CFD数值模拟分析方法，计算软件采用时下流行的PHOENICS 2011版本。PHOENICS可对传热和流体进行数值模拟计算分析。

2.2 模型与网格

对建筑风环境进行CFD评价分析的关键在于建立合适的建筑几何模型，合理划分计算网格。尽量对建筑合理简化，降低对局部网格划分的影响，从而保证网格划分的质量。另外，对计算区域的选择也十分关键。由于风场作用范围较大，计算区域应选的较大，但过分地增大计算区域会显著增加计算成本，合理选择计算区域有助于计算量的降低。

参照暖通设计平面图进行几何建模，进行一些必要的简化，模型如图2（a）所示。计算区域即为能够使区域内气流充分发展的外部空间，采用PHOENICS独特的网格处理技术（即PARSOL技术），对导入的CAD图形进行网格划分，如图2（b）所示。

图2 机房模型图和网格划分图

2.3 边界条件与控制方程

（1）平均风速的指数律分布。目前，国际上多采用经验的指数分布对此进行描述，我国规范也采用指数分布，计算公式为

式中：UZ为高度Z处的水平风速；
U0为参考高度Z0处的风速；
m为不同地形粗糙度下的幂指数。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），本文m取0.3。

（2）出流面边界条件。出流面出口边界采用局部单向化处理。

（3）壁面边界条件。建筑物表面采用壁面函数法进行处理。

（4）控制方程选取。由于建筑内外空气流动通常为不可压缩的低速湍流、限制流，故本文采用Realizable k-ε模型对此计算模拟，具有成本较低、预测较准的优点。

对于不可压缩流动问题，其控制方程主要有以下几个。

连续性方程为

动量方程为

湍流动能k的方程为

耗散率ε的方程为

本次模拟分析以送风口高度为变量，分别模拟送风口高度为1.2 m、1.6 m及2.0 m时的风速场和温度场情况。

3.1 风速模拟分析

3.1.1 高度1.5 m处顶视角风速场

图3（a）～图3（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下高度1.5 m处顶视角的风速场。由图3可知，在机柜通道进口处，3种工况的风速分别为2.39 m/s、2.28 m/s及2.25 m/s，风速差别较小。

图3 高度1.5 m处顶视角风速场

3.1.2 前视角风速场

图4（a）～图4（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下前视角的风速场。由图4可知，在机柜通道内部，3种工况下的风速区别不大。送风口高度为1.2 m工况下，由于初速度略高、送风高度较低，减少了通道底部低风速区的集聚。

图4 前视角风速场

3.1.3 热通道处左视角风速场

图5（a）～图5（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下热通道处左视角的风速场。由图5可知，在机柜通道内部，3种工况的最高风速分别为3.47 m/s、3.31 m/s、3.27 m/s，风速差别不大。整体流场基本相同，送风口高度为2.0 m工况下的低风速区相对较少。

图5 热通道处左视角风速场

3.2 温度模拟分析

3.2.1 高度1.5 m处顶视角温度场

图6（a）～图6（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下前视角的温度场。由图6可知，在此平面机柜内部，局部最高温度出现在送风口高度为2.0 m时，在45 ℃左右，主要分布在排风侧。从温度场分布来看，送风口高度1.2 m工况时的温度分布较为均匀，排风侧最高温度点在40 ℃左右，满足机房运行温度管理要求。此方案的换热效果最好，且与类似项目实际运行情况相符。

图6 高度1.5m处顶视角温度场

3.2.2 回风口处顶视角温度场

图7（a）～图7（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下回风口处顶视角的温度场。由图7可知，3种工况下的回风温度均低于37 ℃，送风口高度2.0 m工况下的温度场相对较好。

图7 回风口处顶视角温度场

3.2.3 前视角温度场

图8（a）～图8（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下前视角的温度场。由图8可知，3种工况的温度场情况基本相似。

图8 前视角温度场

3.2.4 热通道处左视角温度场

图9（a）～图9（c）分别为送风口高度1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况下热通道处左视角的温度场。由图9可知，3种工况下的回风最高温度均不高于37 ℃。从温度场分布情况看，送风口高度1.2 m工况下的温度分布较为均匀。

图9 热通道处左视角温度场

通过对华北某数据中心采用弥散式送风、热通道封闭机房的研究，以暖通设计图纸为依据进行几何建模，借助CFD技术对其气流组织进行了模拟，计算分析了弥散式风口在长度不变情况下、送风口高度分别为1.2 m、1.6 m及2.0 m 3种工况时的风速场和温度场。结果表明：该机房气流组织设计均匀，室内大部分区域的风速不高于3.47 m/s；
机房冷、热通道内温度场较为均匀，换热后机柜内部最高温度在35～44 ℃，回风温度在37 ℃以下；
3种工况的风速场基本相同；
送风口高度2.0 m的工况回风温度相对略低（原因可能是换热不够充分），而送风口高度1.2 m的工况在机架高度温度分布更为均匀，整体换热效果在本次模拟中表现更优。

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