數據機柜熱設計優化分析

2017-06-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1 概述

近年來,我國已建設了近20多條高速鐵路,高鐵已經成為許多人生活的一部分,高鐵已經融入百姓的生活,高速、安全、便捷是出行的首選交通工具。

使用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法可以有效預測模擬數據機柜內的速度、壓力及溫度分布;利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對機柜內風機失效的不同工況進行了熱模擬計算,得到了不同工況下機柜的溫度、速度分布。

2 物理模型及方案說明

本文以某數據機柜為實例,每個機柜的尺寸為1.105?m(長)×2.02?m(高)×0.648?m(寬),機柜前后殼體散熱開孔率為0.8。機柜內主要布置了4臺聯想工作站、3個IBM服務器和1個交換機,機柜總熱耗為954?W;機柜頂部布置了6個Sanyo風機,聯想工作站、服務器、交換機內均布置了相應的風機,其熱仿真模型如圖1所示。機柜工作的環境溫度為25?℃。

對柜體內的工作站進行編號,從下往上依次為工作站A、B、C、D;服務器的編號依次為服務器1、2、3。

由于機柜內服務器和交換機的真實模型比較復雜,為了減少CFD模擬的計算量,使用ANSYS Icepak的參數化計算功能,計算得到單個真實服務器、交換機的系統阻力曲線,然后根據阻力曲線,計算得到服務器和交換機的阻力系數。在熱仿真軟件內,使用簡化阻尼模型(輸入阻力系數)來建立服務器和交換機的熱模型;對聯想工作站,使用軟件的自建模功能,建立其詳細的熱模型。

建立機柜機架、機柜前后門(開孔率約為0.8)的熱模型,將簡化后的服務器、交換機以及詳細的工作站熱模型放置于機柜內,最終建立機柜的完整熱仿真模型。

本文主要是比較機柜內部各個風機是否失效,對機柜系統內各個模塊溫度的影響,相應的計算工況包括:

工況1:機柜系統內各個風機均正常工作;

工況2:機柜自帶的風機失效(或風機關閉);

工況3:工作站自帶的風機和機柜自帶的風機均失效;

工況4:工作站自帶的風機失效;

工況5:機柜系統內所有的風機均失效。

3 計算結果比較

在熱仿真軟件中分別對5種工況進行了模擬計算,得到了機柜內的溫度、速度分布圖,并且對4種工況進行了詳細的比較分析。

3.1 工況1:機柜系統內各個風機均正常工作

此工況下存在明顯的氣流短路現象。在機柜頂部風機造成的負壓作用下,部分冷空氣直接從前后殼體的散熱孔流入機柜,然后直接被機柜頂部的風機直接排出,頂部風機并未起到冷卻柜體內器件的作用,造成了電力資源的浪費。

如圖2所示,柜體內此切面的最高溫度為43.36℃,出現在工作站D的區域內。從溫度云圖中,可以看出,工作站、服務器及交換機排出的熱空氣風機的負壓作用下,直接被頂部風機排出機柜。

柜體的最高溫度出現在服務器1正對的機柜后側面,最高溫度為29.20?℃。服務器排出的熱空氣與外界冷空氣混合后,在頂部風機的負壓作用下,重新流入機柜內,最后從機柜頂部排出。

機柜內各個模塊的溫度云圖分布如圖3所示,最高溫度出現在工作站D的區域內,最高溫度為53.06?℃。

3.2 工況2:機柜自帶的風機失效(或風機關閉)

由于機柜頂部風機失效,機柜內氣流短路現象消失。冷空氣從機柜前側進入機柜,然后在各個模塊內風機的作用下,流入各個模塊,最后直接從機柜后側的散熱孔流出機柜。

柜體內此切面的最高溫度為42.73?℃。從溫度云圖中,可以看出,工作站、服務器、交換機排出的熱空氣傾斜向上流動,最后從機柜后側散熱孔排出機柜。

所有的熱空氣均從機柜后側的散熱孔排出,由于熱空氣均向上流動,因此柜體的最高溫度出現在機柜后側面的頂部區域,最高溫度為32.60?℃。

機柜內各個模塊的溫度云圖分布如圖4所示,最高溫度為53.29?℃。

對比工況1、工況2的計算結果,可以看出,當機柜自帶的風機失效或者直接關閉機柜自帶的風機,對機柜系統內各個模塊的溫度影響不大,但是會影響機柜殼體表面的溫度分布,如果機柜自帶的風機失效或者將其關閉,機柜外殼的最高溫度上升約3.4?℃。

3.3 工況3:工作站自帶的風機和機柜自帶的風機失效

由于機柜頂部風機失效,機柜內沒有氣流短路現象。由于工作站內風機失效,工作站僅僅依靠自然冷卻進行散熱,工作站內的流速較低,工作站A、B、C、D的溫度依次升高,這主要是因為自然冷卻使得熱空氣向上流動,因此工作站D的溫度最高,最高溫度為65.84?℃。

另外,從圖中標注的方形區域內,工作站區域的熱空氣上升,部分熱空氣會與冷空氣混合,然后流入服務器1內,使得此工況下,服務器1的溫度勢必高于工況1、工況2。

機柜前殼體也出現高溫區域,這主要是工作站自然冷卻,使得熱空氣上升,造成此區域的溫度升高。由于機柜頂部風機不工作,機柜的最高溫度出現在后側散熱孔的頂部,最高溫度為34.08?℃。

機柜內各個模塊的溫度云圖分布如圖5所示,最高溫度為75.33?℃。由于此工況工作站內風機失效,工作站僅僅依靠自然冷卻進行散熱,使得其溫度明顯升高。與工況1、2相比,最高溫度升高了約22?℃。

3.4 工況4:工作站自帶的風機失效

與工況3相比,由于此時機柜頂部風機工作,機柜頂部區域仍然出現氣流短路現象(如果在頂部增加導流板,則可以消除氣流短路現象)。

氣流從機柜前后殼體流入機柜,最后從機柜頂部流出。此工況切面的最高溫度為53.25?℃。與工況3相比,最高溫度降低了約12.6?℃。

機柜殼體的溫度分布與工況1類似,最高溫度為29.83?℃,與工況3相比,溫度降低了約4.3?℃。

機柜內各個模塊的溫度云圖分布如圖6所示,最高溫度為62.88?℃,與工況3相比,最高溫度降低了約12.5?℃。可以看出,當服務器的風機失效時,開啟機柜頂部的風機,會進一步降低工作站內器件的溫度分布。

3.5 工況5:機柜系統內所有的風機均失效

此工況下,所有的風機均失效,那么機柜只能依靠自然冷卻進行散熱,切面的速度非常低,最大速度僅0.3?m/s;切面的最高溫度高達428?℃(理論上),此時服務器內器件必將被燒壞,機柜將停止工作。

4 結論

1)利用ANSYS Icepak軟件對防災監測機柜進行了不同工況的熱仿真分析,當工作站、服務器、交換機內的風機正常工作時,開啟或關閉機柜自帶的風機,機柜系統內器件的溫度不會有明顯變化;但是機柜外殼的最高溫度上升約3.4?℃。

2)當機柜自帶的風機(風機關閉)與工作站自帶的風機均失效時,機柜內的最高溫度為75.33?℃,比風機未失效時,溫度升高了約22?℃;如果重新開啟機柜自帶的風機,機柜內的最高溫度為62.88℃,最高溫度降低了約12.5?℃,此工況下,開啟機柜頂部的風機,會進一步降低工作站內器件的溫度分布。

3)當機柜內所有的風機均失效,此時機柜的最高溫度高達428?℃(理論上),機柜系統早已停止工作。

(收稿日期:2016-06-06)

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