周盈盈 韩冠楠 凌云志

摘    要：基于CFD方法建立了服务器冷却模型对服务器芯片区的气流分布进行了模拟研究。模型采用了风扇单元作为对机柜部分气流分布进行调节的热管理技术。导向单元与冷通道以及风扇送风速度作为风扇单元的重要调节部分。

关键词：CFD方法;风冷系统;振荡热管

1  概况

数据中心是数据中立的基础设施，能够容纳大量设备，包括伺服器，数据存储设备和通信设备。这些设备大多高度集成化并安装在机柜内。服务器日益增长的性能要求及其高度的集成化也导致了每个设备占地面积日益增长的热负荷。设备运行中将电能完全转化为热量并排放到环境中。因此，服务器电力需求的增长会对现有散热设施带来更大的挑战，因此恰当的热管理策略至关重要。

风冷系统被广泛用于数据中心散热。布置具有热/冷通道布置的高架地板是数据中心最常用的策略。冷却空气从空调单元经过地板静压箱冷却服务器。冷空气需要提供足够的冷量同时，同时需要有保持较好的气流组织分布以确保服务器可以稳定可靠地运行。不良的气流组织分布会导致散热的低效性并且产生局部热点，这是导致元件失效的主要原因。

振荡热管是一种新型的热管，由于其结构简单，操作灵活，适用性强，已广泛应用于各种电子设备的冷却。它也被称为脉动热管，由Akachi于20世纪90年代首次引入。震荡热管由毛细管制成，毛细管被弯曲成多个回路并注入一定数量的工质。热管结构包括三个部分：蒸发部分，绝热部分和冷凝部分。工质在蒸发端受热蒸发后经由绝热段在冷凝端放出热量，形成汽塞液柱交替分布的流体并产生振荡运动。在这个过程中，风冷系统被广泛用于热管冷凝端的散热过程。

2  数值模拟

2.1  机柜模型

机架级模型是一种简化模型，它研究单个机架的周边区域。它包括地板静压箱部分和工作区部分。工作区部分包括通道区域以及服务器区域。通道区域可以是热/冷通道，可以设置不同类型的封闭策略。通道区域的研究已在参考文献[1]中进行了讨论。静压箱部分被简化为小的腔体，简化了静压箱结构对工作区的的影响。机架级模型产生可接受的网格尺寸并能减少对大型数据中心建模和计算的时间。类似的简化方法在诸如[2]的研究中发现是有效的。

2.2  模型设计

作为设计模型的准则，机构框架和建立的模型。在本文中，机架级模型可分为四个区域：地板入口区，机架入口区，机架出口区和过道区。可以在这些区域中设置不同的单元组合。

安装的机架高2m，占地面积为0.48m2（600mm×1000mm）。机架包含四个模拟服务器，每个模拟器的高度为10U。

模拟器的前格栅作为入口端，后格栅作为出口端。安装有四个风扇的背板距离出口格栅为50mm。每个服务器模拟器宽50厘cm，高45cm。模拟器的深度为78cm。所有模拟器都由铝制隔板隔开。

根据参考文献[3]，风扇大多被模拟为具有给定压力-速率关系的矩形模块。本文中模拟服务器的所有格栅都被模拟为矩形风口。它们被简化为全开的孔板，因此可以忽略惯性项的影响。在这种情况下，出口处由四个排风扇风扇组成，每个排风扇作为风扇边界执行，面积为144cm2，深度为4cm。风扇的参数由MiSUMi公司提供。

地板入口区设置有轴向风扇单元，其位于距地板面板20cm的位置。每块活动地板可以用图1所示的不同类型的导向单元代替。轴流风扇单元的外径为43.5cm，轮毂直径为25厘米。模型设置了圆柱状的流体区域，深度为20cm。根据中天公司提供的结构参数确定准确的风扇模型。轴流风扇的转速设定为1400rpm。

利用商业软件FLUENT 14.5研究了三维非稳态湍流，该软件基于有限体积法。采用非稳态模型。当流场稳定时记录数据。采用压力-速度耦合模型并采用SIMPLE算法进行计算。 使用具有標准壁面方程以及可靠的k-e湍流模型进行模拟。采用二阶迎风方法进行离散化。为入口边界条件设定沿y轴方向的均匀速度。为出口格栅和出口风设定压力边界条件。对计算网格进行了优化以满足精度和计算时间的要求。在各个模型中，优化的网格由超过七十万个节点组成。最小网格间距为0.001m，最大网格间距为0.05m。

3  结果分析

总体上热阻随着加热功率的增加而降低。在启动之前，热阻的变化范围很窄，有时甚至会先降低再上升，参考文献中也报告了相同的结果。同时随着风速的增加，热管的热阻也会降低。当加热功率较高时，三维振荡热管启动，热阻随着加热功率的增加而降低。随着风速的增加，热阻也会增加。可以发现热阻和风速之间的关系在不同的加热功率下具有相关性。

4  结束语

本文提出了一种用于电子元器件冷却应用的三维振荡热管。研究三维振荡热管的气流组织分布。基于CFD方法建立机架级模型，采用风扇单元作为调节器，对机柜的气流组织分布进行了研究。

结果表明，轴流风扇与导向单元结合可以实现定向送风从而改变气流组织分布。但是，应该考虑以下问题：定向送风会加剧空气回落问题。而冷通道封闭是一种解决空气再循环问题的有效方案，其具有成本低廉的特点。在实际运行中，服务器第三层和第四层被定义为具有较大气流风速的区域，并且它们易受到风扇的影响，这应该被考虑在三维振荡热管的应用中。

参考文献：

[1] Niemann J，Brown K，Avelar V.Impact of hot and cold aisle containment on data center temperature and efficiency[J].Schneider Electric Data Center Science Center，White Paper，2011（135）：1～14.

[2] Arghode V K，Kumar P，Joshi Y， et al. Rack level modeling of air flow through perforated tile in a data center[J]. Journal of Electronic Packaging，2013（3）： 30902.

[3] Nelson G M. Development of an experimentally-validated compact model of a server rack[D].Georgia Institute of Technology，2007.