5.2 计算流体动力学（CFD）实例
下面结合具体事例阐述气流组织优化合理设计配置的重要意义。
某机房自2012年7月投入使用以来已运行了两年，为评估目前机房的散热性能是否与初始设计一致，需要对机房内的热物理参数进行分析。但是气流具有不可视且流动性强的特点，若直接采集数据，工作量极大，且分析工作难度很大。本部分采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真模拟，计算出机房的温度场、压力场、速度场等数据，直观地展示了关键热物理参数，降低了分析气流与传热过程的难度，给气流组织优化设计配置工作带来极大便利。
5.2.1 机房基本信息及建模
某运营商合建机房位于中国南方热带地区（该地区普通数据中心的PUE为1.7～2.0），由物流仓储改造而成，面积约为数百平方米，部署了10列机柜，数千台服务器，每个机柜设计的电流为20A。机柜采用冷暖通道布置且冷通道封闭。制冷采用11台某品牌某型号空调，按照“7用4备”的运行方式为机房提供制冷。根据机房的建筑结构、IT设备、制冷设备、配电设备等实际布局建立物理模型。某机房布局仿真模型如图5-1所示。
图5-1 某机房布局仿真模型
5.2.2 机房初始状态现象描述
以现场实际采集电、冷、风的相关数据作为输入条件，模拟出机房目前的运行状态。静压箱中热参数如图5-2所示，机房中的热参数如图5-3所示。这两张图所示的参数是通过计算得到的机房静压箱内压力温度分布和机房空间内压力温度分布情况。
从静压箱的压力分布情况［图5-2（a）］来看，静压箱下压力分布并不均匀。在房间中部出现了绿色区域，表明机房中部存在低气压甚至负压现象，负压会使气流倒流，影响冷热空气的正常循环，应尽量避免。
图5-2 静压箱中热参数
从图5-2（b）中的静压箱的温度分布情况可以看出，机房地板下的冷空气出现了2个局部温度偏高的区域（绿色），如果不及时处理，这部分有“问题”的冷空气可能会进入机柜。由于这部分冷空气的温度与设计值不一致，将无法按设计要求带走相应的热量，从而影响后续一系列换热过程。此外，该高温区域的气流还会对静压箱中其他部位的冷空气造成“污染”，消耗一部分由其他空调产生的冷量。
从图5-3中可以看出，机房区域的温度场分布不均匀，底部第一个冷通道内左右两侧存在温差。机房整体呈现中部较冷，上下部偏热的情况。
图5-3 机房中的热参数
5.2.3 原因分析
空调运行参数如图5-4所示，根据静压箱中温度不均匀的现象，结合调取空调运行参数综合分析，发现空调送风温度不均匀、水阀开度差别很大，风机基本维持在高速运转的区域，能耗较大。
图5-4 空调运行参数
图5-4中显示的173号、180号两台空调水阀开度为0，表明它们并未开启。也就是说，这两台空调没有起到制冷作用，仅仅作为风扇将热通道的回风未加任何冷处理直接送入地板下，这才出现了173号、180号两台空调送风温度偏高的现象，从而使与之对应的冷通道出现温度偏高的情况［如图5-3（b）所示］。173号空调输送的热风与其对面的177号空调输送的冷风进入同一个冷通道，导致给该通道机柜送风的冷通道出现了左热右冷的情况。自动调节模式关闭了173号、180号两台空调的水阀，客观上证明了机房空间开启的5台空调所产生的冷量已能够满足机房内所有设备的散热需求。如果再增加新的空调设备，不但不会减轻其他空调的负担，反而会使机房的负荷增加，这既影响了机房内所有设备的散热，又加大了数据中心的运行成本，因此我们建议关停部分空调。
5.2.4 解决方案
关停173号空调前后的静压箱下温度分布如图5-5所示。关停173号空调前后的静压箱下压力分布如图5-6所示。图5-5（a）显示的空调173号附近的静压箱温度偏高，冷通道温度分布不均匀的情况，建议先关停173号空调。为保证机房的安全运营，我们先采用CFD模拟关停173号空调后机房的运行状况，并与关停前的情况进行对比。
图5-5 关停173号空调前后的静压箱下温度分布
图5-6 关停173号空调前后的静压箱下压力分布
5.2.5 结论分析
关停173号空调后，静压箱下的温度分布较为均匀，最高温度也从26.3℃下降到25.1℃。地板出风区域的压力更均匀，基本消除负压现象。关停173号空调前后的机房空间温度分布如图5-7所示，机房空间内的温度场分布也更均匀，机房内所有设备的最大进风温度为17.5℃，最大出风温度为25.3℃，可以满足机房内所有设备的正常运行需要，使其均处于安全状态。根据CFD的模拟结果应用于实践，机房关停了173号空调，经过48小时运行后进行数据采集，现场数据采集实景如图5-8所示，关停173号空调后机房实测温度如图5-9所示。与CFD仿真计算出来的结果进行对比，误差在±0.5℃范围内，吻合度非常高。
关停173号空调（第1台空调）后，通过同样的分析方法，发现机房仍有优化空间，因此根据温度分布情况，我们调整空调运行的数量，先后关停180号空调（第2台空调）和183号空调（第3台空调）。调整空调数量后机房温度分布效果对比如图5-10所示，调整空调数量后机柜最大进风温度分布效果对比如图5-11所示。
图5-7 关停173号空调前后的机房空间温度分布
图5-8 现场数据采集实景
图5-9 关停173号空调后机房实测温度
通过对比发现，在关停180号空调后，机柜进风温度比较均匀，没有出现单机高温情况，而关停位于机房拐角处的183号空调后，机房明显出现个别机柜温度偏高、机房空间右上角局部过热现象，分析此处气流组织发现，热回风运行至此，受机房拐角处存在的气流死区影响而受阻停滞，从而出现机房内局部过热的现象，因此，拐角处的空调不可轻易关闭，空调回风口与房间拐角处需要保持合适的距离，否则死区范围就会扩大，从而增加局部过热机柜的数量。关停180号空调后全部空调的工作状态如图5-12所示。此外，结合关停两台空调时的气流组织及全部空调的工作状态发现，开启的4台空调基本都已满负荷运行，第5台空调也负荷过半，因此，不建议再关停第3台空调。
图5-10 调整空调数量后机房温度分布效果对比
图5-11 调整空调数量后机柜最大进风温度分布效果对比
随后为了使机房空间温度场分布更加均匀，我们进一步对机房当前的温度场、压力场分布及流线场分析，发现在建筑立柱附近的气流会受到一定的影响，立柱附近气流情况如图5-13所示，因此，按照尽量将送回风口避开立柱为原则对空调布局进行合理性研究，调整了空调的安放位置，调整空调布局后机柜最大进风温度分布效果对比如图5-14所示。结果显示，调整空调布局后，机房下半部分的温度分布情况明显好转，但是机房上半部分由于左侧拐角处严重影响了176号空调的回风，此处机柜附近热空气聚集而出现局部过热现象。因此，建议沿用第一种空调布局调整方案。
图5-12 关停180号空调后全部空调的工作状态
图5-13 立柱附近气流情况
此时，虽然机房内温度已基本分布均匀，但仍存在过冷的情况，造成空调资源浪费，因此，考虑将空调回风控制温度逐步提高至24℃。机房设备的运行温度范围如图5-15所示。与美国暖通空调工程师协会（American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）2011标准建议的设备工作温度标准相比，目前，当机房的设置回风温度为22℃时，整个机房基本处于过冷状态。将回风控制温度调升24℃后，机房处于正常偏冷状态，机柜最大进风温度为19.8℃，最大出风温度为27.6℃。服务器在此温度范围内可安全稳定地运行。
图5-14 调整空调布局后机柜最大进风温度分布效果对比
图5-15 机房设备的运行温度范围
综上所述，对于该机房的气流组织校核、优化设置和节能潜力挖掘工作，共有以下7个优化改造预案。
（1）调整空调布局，关停第一台173号空调。
（2）调整空调布局，关停第二台180号空调。
（3）调整空调布局，开启173号空调，关停177号空调。
（4）调整空调布局，开启173号空调，关停181号空调。
（5）空调回风温度首次提升1℃～23℃。
（6）空调回风温度第二次提升0.5℃～23.5℃。
（7）空调回风温度第三次提升为24℃。