应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 - 图文

硕士专业学位论文

论文题目

研究生姓名 指导教师姓名 专业名称 研究方向 论文提交日期

应用ANSYS热分析软件 优化IDC机房散热设计

韩 波 李文石 集成电路工程 集成电路的评价技术

2013年11月

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非涉密论文□

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 中文摘要

应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

中文摘要

CPU的自热现象将造成主机散热出现热点负效应。本工作针对主机所在的互联网数据中心的散热优化问题，基于ANSYS软件中的热分析组件，构造不同的工作方式，扫描自变量选择空调送风温度和送风量，仿真结果表明，机柜热点温度（因变量）存在较好的寻最小值区间。冷通道封闭IDC机房的典型特征，一是热点温度与空调送风温度呈线性关系，二是热点温度与空调送风量呈非线性关系。本工作对比验证了三种主流散热方法中的前两种。

关键词：IDC机房，散热，ANSYS，冷通道封闭，CPU热点

作 者：韩 波 指导老师：李文石

I

Abstract IDC Room Thermal Design Optimization Based on ANSYS Thermal Analysis

IDC Room Thermal Design Optimization Based on ANSYS Thermal Analysis

Abstract

CPU’s self-heat will cause hot spots with negative effects on hosts’ heat dissipation. The work focuses on heat dissipation optimization for IDCs in which hosts are located, based on thermal analysis components of ANSYS. Different ways are constructed while temperature and volume of air flow supplied by air conditioning are selected as independent variables. Simulation results show that minimum value range of cabinet hot spots temperature (dependent variable) exists. The typical characteristics of cold aisle capping IDC room is that hot spot temperature has linear relationship with the air flow temperature of air conditioning while it has nonlinear relationship with the air flow volume. Comparison and validation of the first two of the three mainstream heat dissipation ways are involved in the work.

Keywords: IDC Room, Heat Dissipation, ANSYS, Cold Aisle Capping, CPU Hot Spots

Written by Supervised by

Bo Han Wen-shi Li

II

目 录

第一章 绪论.......................................................................................................................... 1 1.1 研究背景...................................................................................................................... 1 1.2 研究目的及现状 ......................................................................................................... 3 1.2.1 CPU热点 .............................................................................................................. 3 1.2.2 IDC机房散热结构 ............................................................................................... 4 1.2.3 IDC机房散热已知工作综述 ............................................................................... 5 1.3 论文结构与工作特点 ................................................................................................. 8 1.3.1 论文结构 .............................................................................................................. 8 1.3.2 课题研究的工作特点 .......................................................................................... 8 第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍 ...................................................................... 9 2.1 CFD基础知识 ............................................................................................................. 9 2.1.1 基本方程 .............................................................................................................. 9 2.1.2 初始条件和边界条件 ........................................................................................ 10 2.1.3 CFD模型的数值计算方法概述 ........................................................................ 10 2.2 ANSYS软件介绍 ...................................................................................................... 12 2.2.1 ANSYS热分析软件包应用方法要点 ............................................................... 13 2.2.2 ANSYS热分析软件包的功能特点 ................................................................... 14 2.3 本章小结 ................................................................................................................... 15 第三章 IDC机房的散热气流组织方式 ............................................................................ 16 3.1 早期IDC机房的散热气流组织方式及其问题 ...................................................... 16 3.2 针对早期IDC机房的散热优化——精确送风改造 .............................................. 17

3.3 架空地板加冷热通道分离方式 ............................................................................... 18 3.4 优化IDC机房散热设计——冷通道封闭 .............................................................. 19 3.5 本章小结 ................................................................................................................... 21 第四章 应用ANSYS软件对IDC机房实施热分析........................................................ 22 4.1 早期IDC机房的ANSYS热分析 ........................................................................... 22 4.2 架空地板加冷热通道分离IDC机房的ANSYS热分析 ....................................... 28 4.3 冷通道封闭IDC机房的ANSYS热分析 ............................................................... 32 4.4 冷通道封闭前后ANSYS热分析比较 .................................................................... 36 4.5 应用ANSYS软件寻找空调最适工况 .................................................................... 38 4.6 本章小结 ................................................................................................................... 40 第五章 总结与展望............................................................................................................ 41 5.1 总结 ........................................................................................................................... 41 5.2 展望 ........................................................................................................................... 41 参考文献.............................................................................................................................. 43 致 谢.................................................................................................................................. 44

应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第一章 绪论

第一章 绪论

近年来，全球正面临着人口增长、资源枯竭和环境污染等一系列发展问题，为了解决这些问题，一股绿色设计的浪潮正席卷着制造、IT、建筑、能源和交通等诸多行业。

本课题研究应用ANSYS热分析软件优化IDC（Internet Data Center，互联网数据中心）机房散热设计来建设绿色IDC。

本章着重介绍绿色IDC背景起源，论文的研究目的和已知研究现状，随后给出论文结构与工作特点。

1.1 研究背景

上世纪90年代互联网开始兴起，2007年苹果公司推出的iPhone开启了移动互联网蓬勃发展之门，而互联网的发展离不开IDC，IDC是互联网的基石之一。

政府、运营商、银行、企业和学校都在兴建IDC，IDC越来越多，规模也越来越大，从一个房间到一层楼到一幢楼再到几幢楼。IDC不光建设耗资巨大，运营成本也很高，主要原因在于IDC的耗电量非常高。

据统计[1]，中国电信所辖IDC在2011年的耗电量高达112亿千瓦时，相当于消耗了102.95万吨标准煤，这么高的耗电量对环境的影响也非常巨大，而这仅仅是一家运营商所辖IDC的消耗和排放。当前，中国的节能减排任务非常艰巨，不可避免地，IDC节能任务也愈加紧迫。

针对全球所面临的人口、资源和环境等一系列发展问题，绿色设计理念得以提出并越来越受到重视。

绿色设计概念：也称生态设计、环境设计或者环境意识设计，强调在产品整个生命周期内，着重考虑产品的环境属性，包括可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命和质量等要求[2]。

绿色设计原则被公认为“3R”的原则，即Reduce、Reuse、Recycle，减少环境污染、减小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。

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第一章 绪论 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

绿色设计概念也正逐步进入IDC所在的IT领域。IDC能耗巨大，占其总体成本支出的45%~60%，因此建设绿色IDC必须从降低能耗入手。

IDC主要由IT设备、制冷系统、电源（UPS）、照明和其他设备构成，所以IDC节能可以有针对性地逐次展开。

基于IT设备节能，可以通过引进云计算技术来实现节能，云计算的绿色优势是具有更高的IT设备利用率和工作效率，它最重要的特征是建立共享的资源池以及按需配置[3]。

制冷系统节能技术较多，主要有空调压缩机变频改造，优化机房散热气流组织方式，在寒带把新风、河湖水之类的自然冷源引入机房冷却IT设备等。

电源（UPS）节能，主要利用高压直流供电以及太阳能等技术，另外还可以在机房安装人体感应开关来实现照明节能。

LBNL（Lawrence Berkeley National Laboratory，劳伦斯伯克利国家实验室）从2001年开始进行IDC基准研究。2007年，LBNL对12个IDC进行的电能消耗调查，发现其能耗分布如图1.1所示[4]。

图1.1 IDC（互联网数据中心）能耗分布

从图中可见，IT设备的能耗占比最大，制冷系统排在第二，这两部分能耗之和已超出IDC总能耗的四分之三，其他设备和电源（UPS）的能耗分列三、四位，照明的能耗则较小。

由于技术经验欠缺和节能意识不够，一些IDC机房制冷系统的能耗浪费比较严重，主要表现在散热气流组织方式不合理，导致冷热气流短路，冷却效率低下，精密空调温度设定过低导致过度冷却。若解决这些问题，不需要更换制冷系统，只需要少

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第一章 绪论

量投资，做些局部调整改造，辅以节能管理强化，即可达到事半功倍的效果，这也是近年来IDC节能的主要方向之一。

本文将以优化IDC机房散热气流组织方式作为主要研究对象。而IT设备、电源（UPS）、其他设备以及照明的节能方法，本文将不做研究。

IDC作为互联网的主要组成部分，保障其安全运行至关重要，所以IDC节能必须以安全运行为前提。

本文将致力于研究IDC制冷系统的安全节能问题（选择机柜热点温度作为因变量）；从IDC构成来看，IT设备、制冷系统、UPS（电源）是影响其安全运行的重要因素（选择制冷系统的两个关键参数——送风温度和送风量作为自变量）。

1.2 研究目的及现状

优化IDC机房的散热结构，基于ANSYS仿真进行热设计，遏制CPU热点是本课题的研究目的。

1.2.1 CPU热点

IDC机房的热负荷主要来源于机柜内的IT设备，而IT设备中服务器、工作站里的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）发热量尤其高。例如，英特尔公司2000年11月发布的Pentium 4 CPU（图1.2）的功率在50W以上，发热量很大，满负荷工作时芯片温度接近80℃，从而形成了CPU热点，参见图1.3所示红外热像图。

图1.2 Pentium 4 CPU外观 图1.3 Pentium 4工作时的红外热像图

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第一章 绪论 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

如果没有良好的散热措施，作为“大脑或心脏”的CPU将无法正常工作，并将导致其所属IT设备发生死机等现象。

风冷是目前用得较多的IDC机房散热方式，通过导热硅胶、散热片以及风扇等装置，将CPU工作时产生的热量送出IT设备机箱，通过所在机柜进入机房。

图1.4和图1.5分别为中国电信某IDC机房的2幅红外热像图，其热点温度分别达到了41.1℃和36.9℃。

图1.4 机柜红外热像图（Max@41.1℃） 图1.5 通道红外热像图（Max@36.9℃）

1.2.2 IDC机房散热结构

经由精密空调通过制冷循环，将IT设备产生的热量从IDC机房转移到室外。 参见图1.6。制冷循环是制冷剂在空调内的闭合循环过程，包括四个步骤：蒸发器盘管内的蒸发，压缩机内的压力变换，冷凝盘管内的冷凝，膨胀阀内流量调节。

IDC机房的精密空调机组参见图1.7。与家用空调不同的是，其压缩机安装在室内机里面。

IDC机房内IT机柜和精密空调不同的排放位置，会产生不一样的散热气流组织方式，可能显著影响散热效率，在后面的章节中我们将应用ANSYS热分析软件来模拟IDC机房并开展热设计研究工作。

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第一章 绪论

热量 室外 风机 膨胀阀 IDC机房 风机 IT机柜 制冷剂流向 冷凝盘管 蒸发器盘管 压缩机

图1.6[5] 制冷循环散热过程

室外 精密空调室外机 IDC机房 蒸发器 IT机柜 冷凝器 铜管 膨胀阀 压缩机 精密空调室内机

图1.7[6] 精密空调机组

本课题的主要研究内容包括：

（1）IT设备和精密空调工况不变时，三种不同散热气流组织方式下精密空调对机柜热点的遏制情况。

（2）IT设备工况不变，精密空调工况在一定范围内变化时，记录机柜热点温度的随动情况，分析并探寻精密空调的最适工况。

1.2.3 IDC机房散热已知工作综述

IDC机房发热的主因素是IT设备。除了引进云计算技术来实现节能，我们特别列举英特尔公司新出品的3D MOS管的节能技术[7]。

2011年Intel公司迈入了3D晶体管时代。使用一个超薄的三维硅鳍片取代了传

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第一章 绪论 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

统二维晶体管上的平面栅极，参见图1.8。其中，硅鳍片的三个面都安排了一个栅极，两侧各一个，顶面一个，用于辅助电流控制，而二维晶体管只在顶部有一个栅极。由于这些硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更加紧密地靠在一起，从而大大提高晶体管密度。Intel声称，22nm 3-D Tri-Gate三维晶体管相比于32nm平面晶体管可带来最多37％的性能提升，而且同等性能下的功耗减少一半，这意味着它们更加适合用于小型掌上设备的CPU制程。

图1.8 32nm二维晶体管（左）与22nm三维晶体管（右）对比

前述说明，减轻自热是根本的降温方法。

早期IDC机房散热工程存在着一个误区——先冷环境再冷设备。这是参照了家用空调的冷却方式：环境冷下来了人自然也就冷了。

在IDC机房里，先冷环境再冷设备将造成冷却效率低下：空调送出的冷气没有直接进入IT设备，而是先在机房里面与IT设备排出的热气混合，造成了冷热气流短路，此时的“冷气”温度已经上升了不少，已不再是纯粹的冷气，再进入IT机柜去冷却设备，冷却效率自然会大打折扣。另外，空调的回风温度因此也不够高，造成其工作效率变差。

随着机柜功率的增加，上述散热方式已经力不从心，机房内过热告警此起彼伏，除了实施节能改造外，工程师开始寻找新的散热气流组织方式。

先后出现了（1）架空地板外加冷热通道分离、（2）冷通道封闭和（3）热通道封

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第一章 绪论

闭等方式，分论如下：

法（1）述评：在IDC机房铺设架空地板，机柜按照面对面、背靠背的方式排列于地板之上，面对面的机柜之间形成冷通道，空调送出的冷气经通风地板进入冷通道，背靠背的机柜之间形成热通道，机柜排出的热气经热通道流到空调回风口，如此形成冷热通道分离。此法的优点是冷热通道分离可以做到先冷设备，并阻止大部分冷热气流短路，从而提高IT设备的散热效率。缺点是冷热气流还没有完全隔断，还有小部分冷热气流会发生短路，散热效率还有提升潜力。

法（2）述评：在法（1）的基础上，在冷通道两侧及顶部用隔板将冷通道与机房其他区域完全隔离开来。冷通道封闭用材可以是坚固耐用的不锈钢、铝材作为框架配以有机玻璃板材，也可以是性价比高的“软玻璃”。此法的优点是：只需在法（1）的基础上做一点小的改动，即可收获完全阻断冷热气流短路的效果，IT设备的散热效率比法（1）更高。缺点是空调回风温度没有法（3）高，所以节能效果稍不如法（3）。

法（3）述评：在法（1）的基础上，先在机房做吊顶，然后用隔板将热通道与机房其他区域完全隔离开来，同时热通道与吊顶联通，空调回风口也与吊顶联通，IT设备排出的热气流经由热通道、吊顶进入精密空调回风口。此法也是完全阻断了冷热气流的短路，但是较之法（2），它进一步提升了空调的回风温度，可获得更多一些的节能效果，这是其优点。而其缺点是机房层高对吊顶会有限制，吊顶、热通道封闭及其联通的施工比较复杂，另外投资金额也较大。

总论之，法（1）方法简单，但效果可能稍差，法（2）方法简单，效果良好，法（3）方法复杂，但是效果相对最好。

新的散热方式效果究竟如何，可以在机房做实验并现场测试，但是这需要投入大量的时间，一旦效果不理想，还会造成人、财、物的浪费。理论、实验和仿真是科学研究的三个支柱。通过ANSYS仿真来预知效果，是很好的研究手段，可以缩短解决方案的形成时间，还能获得很多现场测试无法得到的数据，在国外的IDC构建和改造过程中已普遍采用。国内一些先进的IDC也有采用，但是普及率尚不高。

我们的想法——将以优化IDC机房散热气流组织方式作为主要研究对象，选择机柜热点温度作为因变量，选择制冷系统的两个关键参数——送风温度和送风量作为自变量，基于ANSYS。

本工作的研究意义：简明验证了已知三个工程方案中前两个的优缺点，扼要讨论

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第一章 绪论 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

了第三个新主流方案的潜在优势和可能不足。

1.3 论文结构与工作特点 1.3.1 论文结构

第一章为绪论，详解概念，研究综述，定义研究内容。

第二章介绍CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）知识及ANSYS软件，阐释原理并图解流程。

第三章涉及IDC机房的散热气流组织方式，首先提出早期IDC机房的散热气流组织方式以及这种方式存在的问题，随后介绍通过精确送风改造来对早期IDC机房实施散热优化，然后浓缩架空地板加冷热通道分离的改进方式，最后论述对冷热通道分离方式进一步优化设计后形成的冷通道封闭方式。

第四章应用ANSYS软件对IDC机房实施热分析，首先对早期IDC机房实施热分析，随后对架空地板加冷热通道分离以及冷通道封闭IDC机房实施热分析，接着将冷通道封闭前后的结果做一分析对比，最后保持IT设备工况不变，让精密空调的工况在一定范围内变化，根据机柜热点温度的随动情况寻找空调最适工况，这一章是本工作的重心所在。

第五章对前述研究做一总结，并对未来的技术发展做一展望。

1.3.2 课题研究的工作特点

本课题研究的工作特点是完全采用ANSYS模拟作为实验手段，充分地应用简洁、高效的现代软件科技成果，结合初始条件和边界条件，来完成以往需要大量时间、人力以及物力投入才能完成的实验。

本课题的创新点在于通过让空调工况在一定范围内变化，根据机柜热点温度的随动情况来寻找给定IT设备散热功率下的空调最适工况（送风温度、风量）。如此可快速找到既满足IDC机房散热需求，又能实现节能的精密空调最佳工作模式。

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍

第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍

ANSYS应用，宏观至桥梁结构的力学设计，微观入新器件的电学磁学力学耦合设计。本章将介绍课题研究用工具ANSYS热分析软件及其理论基础——CFD的相关知识。

2.1 CFD基础知识

CFD（计算流体动力学）是流体力学的分支[8]。它通过计算机仿真获取流体在特定条件下的有关信息，实现用计算机代替实验装置完成“计算实验”，为工程技术人员提供了实际工况模拟操作平台，已广泛应用于环境工程、水利土木、热能动力、机械流体、化学工程、航空航天、船舶制造、铁路运输、汽车工程等诸多领域。

2.1.1 基本方程

流体流动遵循的物理定律，是创建流体运动方程的理论依据。这些定律主要有：质量守恒、动量守恒、能量守恒等方程，以及状态方程、本构方程。在实际计算中，还要考虑不同的流态，如层流或湍流。

在流体力学当中，系统指的是某一确定流体质点集合的总体，系统以外的环境为外界，分隔系统与外界的界面，则是系统的边界。系统一般是研究的对象，外界用来区别于系统。

流场当中，流体通过一部分控制面进入控制体，同时也会通过另一部分控制面流出控制体，期间控制体内的流体质量可能会发生变化。根据质量守恒定律，流入流体质量与流出流体质量之差，应当等于控制体内流体质量之增量，质量守恒方程也称连续性方程。

动量守恒（运动方程）是流体运动时遵循的另一普遍定律：对一给定的流体系统，其动量的时间变化率是作用于其上外力的总和。

将热力学第一定律用于流体运动，把动量守恒理论中流体相对运动方程的各项用对应的流体物理量表示，即能量守恒方程。

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第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

2.1.2 初始条件和边界条件

CFD分析中，初始条件以及边界条件的正确设置非常关键。初始条件是计算开始给定的参数，即初始时刻的各未知数的函数分布。边界条件即流体力学方程在求解域的边界上，流体物理量应当满足的条件。

现有的CFD软件均提供了现成的各类型的边界条件。

2.1.3 CFD模型的数值计算方法概述

CFD模型的控制方程是一组偏微分方程，用解析方法求解非常困难，可以用数值方法求得满足实际需要的近似解。

数值方法求解CFD方程的基本原理是：把原先在空间、时间坐标中连续的物理场量（如温度、速度、压力、浓度等），用一组有限数量的离散节点（Node）的值的集合来替代，通过特定的原则建立这些离散节点上变量数值间关系的离散代数方程（Discretization Algebraic Equation），求解离散代数方程来得到所求变量的近似解。过去数十年间已经发展了多种数值求解方法，它们之间的主要区别在于三个环节：区域离散方式、方程离散方式以及代数方程求解方法。CFD求解计算中用得比较多的数值方法主要有：有限差分法（Finite Difference Method，FDM）、有限体积法（Finite Volume Method，FVM）、有限元法（Finite Element Method，FEM）以及有限分析法（Finite Analytic Method，FAM）。

1. 有限差分法

历史上有限差分法是最早采用的数值方法，对于简单几何形状的流动与换热问题，它是一种最易于实施的数值方法。其基本思路是把连续的求解区域用有限数量的离散点构成的网格来代替，称之为网格节点。用网格上的离散变量函数来近似连续求解区域上的连续变量函数，用差商来近似原方程及求解条件中的微商，用积分和来近似积分。所以原来的微分方程和求解条件就近似为代数方程组，也就是有限差分方程组，解此方程组就能得到原问题在网格节点上的近似解。之后再用插值法即可从离散解得到求解问题在整个区域上的近似解。

有限差分法程序一般由研究者自己编写，极少看到有限差分法商业软件。

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍

2. 有限体积法

有限体积法把求解区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围都有一个控制体积。将待解微分方程对每一个控制体积进行积分，就得到一组离散方程。其中的未知数就是网格点上因变量的数值。要求解控制体积之积分，需要假定值在网格点间的变化规律，即假定值的分段分布剖面。使用有限体积法导出的离散方程可以确保拥有守恒特性，且离散方程系数有明确的物理意义，目前在流动及传热问题数值求解领域是应用最为广泛的一种方法。

Phoenics是最早进入市场的有限体积法软件，Fluent、STAR-CD以及CFX均为常用的有限体积法软件，它们在流体流动、燃烧、传热和辐射等领域都有广泛应用。

3. 有限元法

有限元法把连续的计算区域离散为一系列单元体（二维问题一般采用三角形单元或四边形单元，三维情况下可采用四面体、多面体），在每个单元体上取若干节点，通过对控制方程求积分来得到离散方程。此法与有限体积法的区别如下：

（1）需选取一个形状函数（最简单如线性函数），并通过单元体内节点上的求解变量之值来表示该函数，于积分前将该函数代入至控制方程中。此形状函数在建立离散方程及处理求解结果时都要应用。

（2）控制方程在积分前需乘以一个权函数，并要求在整个求解区域内控制方程余量（代入至形状函数后使控制方程等号两边不相等之差值）的加权平均值为零，从而得到一组有关节点上的被求变量的代数方程。

有限元法对不规则区域适应性较好是其最大优点，但计算量通常要比有限体积法大，且在求解流动和换热问题时，对流项的离散处理法及不可压缩流体的原始变量法的求解上不如有限体积法成熟。

ANSYS、北京飞箭软件公司的有限元程序自动生成系统（Finite Element Programs Generator，FEPG）以及SYSWELD等有限元软件比较流行。

4. 有限分析法

有限分析法由美籍华人科学家陈景仁（Ching-Jen Chen）教授于1981年提出。 此方法是在局部单元上对微分方程实施线性化以及插值近似边界的条件下，在局部单元上计算微分方程的解析解，而形成整体的线性代数方程组。有限分析法把解析法与数值法结合起来，是计算流体力学的进步。其优点在于计算精度较高，且具有自

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第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

动迎风特性，计算稳定性较好。但是单元系数中含有比较复杂的无穷级数，给理论分析与实际计算都造成了一些困难。近些年来，又有李炜等学者提出了混合有限分析法，引入了有限差分的方法，避免了无穷级数的计算，从而极大地提高了该方法的实用价值。但无论是有限分析法或是混合有限分析法，均存在着有限分析系数复杂、计算速度偏慢等缺点。此外，有限分析法的系数不像有限体积法的那样有明确的物理意义，而且它对不规则区域的适应性也较差。

典型的有限元模拟流程如图2.1[9]所示。

分析前准备工作 环境 配色 ↓ 前处理 单元类型 材料参数 ↓ 数值模拟 载荷及边界条件 温度循环求解 有限元模型 字体 ↓ 后处理 通用后处理 时间历程处理 图2.1 有限元模拟流程图

2.2 ANSYS软件介绍

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题[10]。因此它可应用于以下工业领域：建筑、桥梁、航空航天、汽车工业、重型机械、运动器械、电子产品、器件建模、微机电系统、生物医学等。

软件主要有三部分组成：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。

前处理模块是一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地用来构造有限元

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍

模型。

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体力学分析、电场磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，还能模拟多种物理介质的相互作用，具备灵敏度分析及优化分析能力。

后处理模块能将计算结果以彩色等值线、矢量、梯度、粒子轨迹、立体切片、透明及半透明（能够看到结构内部）等图形方式显示出来，也能把计算结果以图表、曲线、曲面等形式输出或显示。

本课题主要基于ANSYS的热分析软件包。

2.2.1 ANSYS热分析软件包应用方法要点

ANSYS热分析软件包中，课题所用的软件模块架构如图2.2所示。前处理模块是Icepak电子产品热管理软件，分析计算模块是Fluent有限元法求解器，而后处理模块则是CFD-Post结果分析器，Icepak本身也拥有丰富的后处理工具。

ANSYS Icepak 建立模型 生成网格 Fluent 计算求解 检查、分析 结果 结果分析 CFD-Post 图2.2 课题软件模块架构

Icepak将求解技术与网格划分选择能力结合起来，为电子器件的冷却提供快速、

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第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

精确的热量结果。Icepak能够快速地对电子产品的热量传递和流体流动进行分析，并在构建物理原型之前对设计修改进行简便地验证，从而减少设计成本、改善产品性能、缩短上市时间、提高产品可靠性以及一次成功率。

Icepak作为专业的热分析软件，可以解决各种不同尺度级别的散热问题 [11]： （1）环境级：外太空、机房等环境级的热分析。

（2）系统级：IT设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析。 （3）板级：PWB级的热分析。

（4）元件级：电子模块、散热器、芯片封装级、LED的热分析。

2.2.2 ANSYS热分析软件包的功能特点

ANSYS热分析软件包的功能特点如下[12]。 （1）快速稳定的求解计算

Icepak使用最新的Fluent求解器进行计算。Icepak可以求解流动及所有的传热模型——传导、对流和辐射换热，可以对电子产品热设计进行瞬态计算和稳态计算。求解器可以对异形几何的贴体网格进行耦合计算。它允许工程师用非结构化网格对任何复杂的电子几何单元进行贴体保性的网格划分，并进行计算求解。

（2）自动优秀的网格技术

Icepak提供先进的自动网格技术，可自动产生高质量的网格，并真实表达几何形状。其网格类型包括：Mesher-HD、非结构化网格和结构化网格，不用人工干预，便可以对复杂几何产生贴体的网格。另外，工程师可以对Icepak的网格进行人工控制。优秀的网格技术可以有效地改善求解计算的时间。

（3）基于对象的建模方式

Icepak包含电子行业常用的预定义组件：离心风机、机箱、电路板、通风孔、风扇、散热器、IC封装等。另外，还包含电子行业常用的材料属性、边界条件等等。工程师可以快速地建立模型，并进行模拟计算。

（4）电子器件库

Icepak包含丰富的标准电子器件库，用户不用特意寻找器件的详细数据。其包含材料库、散热器库、导热硅库、封装库及各类厂商的风扇库和离心风机库。

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第二章 CFD基础知识及ANSYS软件介绍

（5）自动耦合传热计算

根据PWB板布线和过孔的信息，Icepak可以计算出PWB板和IC封装基板层的详细导热率分布。对于PWB板这种多层复合材料，得到各向异性不均匀的导热率，可以大大提高电子热设计的精度。

（6）自动提取DELPHI模型

对于不同的计算工况，Icepak可以自动提取最优的DELPHI热网络模型。工程师可以将得到的DELPHI热网络模型应用于板级或者系统级的热分析，进而模拟各个器件的结温。

（7）强大的后处理功能

工程师利用Icepak丰富的后处理工具，可以方便地得到图片、动画及其他报告；也可以将Icepak的计算结果读入ANSYS CFD-Post，做进一步的后处理显示，以便客户可以更好地理解产品的热设计。

2.3 本章小结

本章在讲述了CFD基础知识后介绍了ANSYS热分析软件包，为以下章节的展

开打下了基础。

有限元方法写成刚性方程，（一般采用三角剖分）是一种有效的变分近似法，变分思想则抓住“2次泛函”的极小值求解。

ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。程序录入典型方法包括GUI和代码流。

下一章将研究三种IDC机房的散热气流组织方式及其特点。

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第三章 IDC机房的散热气流组织方式 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

第三章 IDC机房的散热气流组织方式

本章将介绍四种IDC机房散热气流组织方式及其特点，它们分别是早期IDC机房、早期IDC机房之精确送风改造、架空地板加冷热通道分离IDC机房和冷通道封闭IDC机房。本章我们将仅介绍其物理结构——IT机柜、精密空调、通风管道、防静电地板以及通道隔板等的布局方式。

3.1 早期IDC机房的散热气流组织方式及其问题

早期的IDC机房比较简单，机房内没有铺设架空防静电地板，承载IT设备的机柜直接放置在水泥地面上，朝向一致，首尾相接排列，空调上送风、下回风，其散热气流组织方式参见图3.1。

图3.1 早期IDC机房的散热气流组织方式

这样的机房布局存在着较多问题，主要有以下2点。

（1）前排机柜内IT设备排出的废热气流未经充分冷却，仅与小部分冷气混合即被后排机柜内的IT设备吸入，造成了冷热气流短路，这会导致IT设备温度很高（参见图3.2），影响其正常工作及使用寿命。为了降温，IT设备的散热风扇会加快转速，

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能耗增大的同时，机房噪音也很大。

图3.2 早期IDC机房的机柜红外图像

（2）空调回风不全是的IT设备排出的热气，其中还有部分没有进入散热循环的冷气混入，因此其回风温度也不高，所以压缩机使用率（占空比）较低，造成其工作效率变差，空调“工作量不饱满”，IT设备很热，空调却感觉不到。

3.2 针对早期IDC机房的散热优化——精确送风改造

图3.3 精确送风改造系统示意图

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第三章 IDC机房的散热气流组织方式 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

针对早期IDC机房存在的上述散热问题，工程师设计了精确送风系统对其实施改造。图3.3[13]为中国移动上海公司为某数据机房实施的精确送风改造系统示意图。该数据机房改造前的散热气流组织方式与早期IDC机房的一样——没有铺设架空防静电地板，机柜朝向一致，首尾相接排列，空调上送风、下回风。针对前排机柜排放的废热气流未经充分冷却即被后排机柜吸入，导致IT设备温度过高这个问题，工程师从空调送风口到机柜前门间架设了一系列通风管道，机柜前门被送风罩所取代，如此可将空调制备的冷气精确地送到机柜来冷却IT设备，这也是“精确送风”这个名词的由来。

这个方法的确可以解决IT设备温度过高问题，但是麻烦亦随之而来。首先，在IT设备不停机的情况下进行施工改造难度很大，因此一般不用较重但是牢固的金属管道，而多采用轻质且隔热性好的酚醛风管。其次，酚醛风管在空调送风压力的作用下会发生开裂，所以经常需要维修。最后，机柜正面的送风罩因为连着的是通风软管从而也能开启，但是这始终不如原先开启机柜前门来得方便，软管连接处还会经常脱落，这给IT设备的维护带来了不便。

3.3 架空地板加冷热通道分离方式

针对早期IDC机房存在的散热问题，工程师进行了总结并设计出了更加合理的机房布局方式——架空地板加冷热通道分离，其散热气流组织方式如图3.4所示。

图3.4 架空地板加冷热通道分离IDC机房的散热气流组织方式

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首先，在机房内铺设架空防静电地板。

然后选用下送风、上回风的机房专用精密空调，送风口位于空调在防静电地板以下的部分并朝向机柜，地板之下形成静压箱以利于送风，回风口位于空调顶端以利于回收机房上部的废热气流。

IT机柜按照“面对面、背靠背”的方式排列于地板之上，面对面的机柜之间形成冷通道，铺设的是防静电通风地板。背靠背的机柜之间形成热通道，铺设的是普通防静电地板。空调送出的冷气在压力的作用下经通风地板进入冷通道，然后流进机柜冷却IT设备，IT设备排出的热气则进入热通道，热气因密度较低而会上升至机房上部，在空调回风口吸力的作用下回流至精密空调，再通过制冷循环完成降温，如此形成一个散热循环。

通过地板静压箱和冷热通道分离，已能做到先冷设备，并且阻止了大部分冷热气流短路，从而提高了IT设备的散热效率。机房内的散热气流走向也比早期IDC机房的要清晰得多，下一章用ANSYS软件仿真的气流图中可以非常清楚地看到。机柜内的IT设备得到了充分的冷却，不仅保障了整个IDC的安全运转，还能延长其自身的使用寿命，近年新建的IDC多采用这种散热方式。

还有一些强化散热效率的改进措施，比如再在机房上部吊顶，在热通道正上方的吊顶开孔用于回收废热气流，这样一部分热回风可以经吊顶流回空调。这些措施也能再提升一些散热效率，但是与架空地板加冷热通道分离已经提升的散热效率相比不很明显，这里只是顺带介绍一下。

3.4 优化IDC机房散热设计——冷通道封闭

冷热通道分离IDC机房与早期IDC机房相比已经有了非常大的进步，但是由于冷热通道并没有完全隔断，会有一些冷气从冷通道流出并进入没有IT设备的区域，甚至还有部分冷气会绕行进入热通道，造成冷热气流短路，这些冷气被用于冷却机房环境和不需要冷却的设备，而不是需要冷却的IT设备。本节将介绍此问题的解决之道——冷通道封闭。

所谓冷通道封闭就是用隔板将IDC机房的冷通道与其他区域隔离开来，冷通道顶上有棚，两边是供机房维护人员出入的侧门，图3.5为冷通道封闭示意图[14]。

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第三章 IDC机房的散热气流组织方式 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

图3.5 冷通道封闭示意图

冷通道封闭用隔板的选材可以因地制宜。有些高等级的IDC机房选用坚固的不锈钢、铝合金等材料作为框架，配以玻璃（侧门）、阻燃有机玻璃（顶棚）等材料来封闭冷通道，这样做投资会比较大，但是出入方便且经久耐用。

更有部分设计精良的冷通道采用天窗式顶棚，同时在顶棚上安装了温度传感器，如有精密空调或者IT设备发生故障，导致冷通道内的温度超出正常范围，这时主机会控制天窗开启以加速散热，同时发出告警信息通知机房维护人员前往处理。

还有一些IDC选用诸如“软玻璃”之类的廉价材料来封闭冷通道，这些材料必须具有阻燃性。顶棚可以将“软玻璃”固定在机柜边缘，侧门则做成垂帘方式供人员出入，这样做性价比很高，当然在功能、便利性和使用寿命上明显不如前者，所以一般用于等级较低的IDC机房。

图3.6是冷通道封闭IDC机房的散热气流组织方式，机房布局方式与冷热通道分

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离IDC机房基本一致，也有架空防静电地板静压箱，精密空调也是下送风、上回风，IT机柜也是按照“面对面、背靠背”的方式排列。区别仅仅在于此处为所有冷通道安装了顶棚和侧门（图中绿色透明部分），气流走向也与冷热通道分离IDC机房的基本一致。

图3.6 冷通道封闭IDC机房的散热气流组织方式

通过冷通道封闭可以实现冷热通道完全隔离，不仅可以阻止冷、热气流混合短路，还能平衡冷通道内所有机柜自下而上各层IT设备的冷却受风量，从而遏制热点并提高散热效率。IDC机房实施冷通道封闭后，可以相应地增加单位机柜的IT设备装载密度来提高机架利用率，或者提高空调送风温度甚至关闭冗余空调来实现节能，看似简单的装置却能发挥很大的效用。

3.5 本章小结

本章分别介绍了早期IDC机房、早期IDC机房之精确送风改造、架空地板加冷热通道分离IDC机房和冷通道封闭IDC机房的散热气流组织方式及特点，其散热效率的高下显而易见，但这毕竟只是定性分析而非定量分析，这几种方式的优劣是否能以数值来反映呢？这就需要用ANSYS软件来对它们实施热分析了，我们将在下章进行研究。

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第四章 应用ANSYS软件对IDC机房实施热分析 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

第四章 应用ANSYS软件对IDC机房实施热分析

上一章介绍了四种IDC机房散热气流组织方式及其特点，对其散热效率的高低有了感性认识。本章将应用ANSYS软件对精确送风改造以外的三种机房实施热分析，计算其热点温度并加以比较，还将从一组数据中寻找精密空调的最适工况。

4.1 早期IDC机房的ANSYS热分析

首先启动ANSYS Icepak，创建新项目并建立早期IDC机房模型如图4.1所示。

图4.1 早期IDC机房的Icepak模型

IDC机房、精密空调和IT机柜的位置、尺寸如表4-1所示。

表4-1 早期IDC机房及内部设备的位置和尺寸（单位：m）

IDC机房 精密空调 1号机柜 2号机柜 xStart 0.00 2.00 1.40 1.40 xLength 6.00 2.00 1.10 1.10 yStart 0.00 0.00 0.00 0.00 yLenth 3.50 2.80 2.20 2.20 zStart 0.00 0.90 2.75 3.40 zLenth 7.00 0.85 0.65 0.65 22

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3号机柜 4号机柜 5号机柜 6号机柜 7号机柜 8号机柜 9号机柜 10号机柜 xStart 1.40 1.40 1.40 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50 xLength 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 yStart 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 yLenth 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 zStart 4.05 4.70 5.35 2.75 3.40 4.05 4.70 5.35 zLenth 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 为了便于分析，这里简化了所模拟的IDC机房对象，机房长7m，宽6m，高3.5m，没有架空地板。机房内有2列共10个机柜，属于前吸气、后排气型，布局方式为第一列机柜（1~5号）的背面正对着第二列机柜（6~10号）的正面。机柜的尺寸都是0.65m宽、2.2m高、1.1m深，所有机柜内置IT设备的散热功率均为3kW。精密空调的尺寸是宽2m，高2.8m，深0.85m，其送风口在上面，回风口在下面，送风口及回风口都开口于空调正对着机柜的那一面，送风温度为12.8℃，空调送风量为3m3/s。

然后生成网格，参见图4.2。

图4.2 早期IDC机房的网格

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此网格由Icepak软件自动生成，没有实施人工干预。Icepak具有自动化的非结构化网格生成能力，其非连续网格能对局部区域进行加密以提高计算精度，同时减少网格数目来提高收敛速度[15]。图4.2所示网格疏密不均，很明显，它是非连续的。

网格生成完毕后将进入计算环节，Icepak会自行调用Fluent求解器进行迭代计算。计算过程中，Fluent还会将温度、风速、能量等数据同步返还给Icepak，Icepak则以实时曲线的形式将迭代过程打印在屏幕上供实验者检查，参见图4.3。迭代过程将一直进行，直到达成以下两个条件中的任意一个：①满足事先设定的收敛条件，②循环到达指定数量。

图4.3 早期IDC机房的Fluent迭代过程

计算完毕后将做后处理及结果分析，工程师可以利用Icepak自带的后处理工具方便地得到图片、动画及其他报告，也可以将前面的计算结果导入ANSYS CFD-Post后做进一步的后处理显示[16]。

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图4.4 早期IDC机房的表面温度轮廓图

图4.4为早期IDC机房的设备表面温度轮廓图。最低温度为12.8℃，即精密空调送风口的温度，热点温度为32.26℃，在6号机柜背面处。由于第一列机柜的背面正对着第二列机柜的正面，第一列机柜排放的热气未经充分冷却即被第二列机柜吸入，所以第二列机柜背面的平均温度要比第一列的高出约3.58℃。

此外，空调回风口平均温度仅为22℃左右，比机柜背面平均温度29℃低了不少，这是由于空调回风中有冷气混入的缘故，下面的气流图会比较清晰地展示这个过程。

图4.5 早期IDC机房的等角投影气流图

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图4.6 早期IDC机房的负Y方向气流图

图4.7 早期IDC机房的负Z方向气流图

图4.5至图4.7为早期IDC机房的气流图，为了看清楚气流走向，分别用等角投影、负Y（自上往下）和负Z方向（面对着空调送风口）三个视角展示。空调送出的冷气只有部分进入了机柜正面，其余的则和机柜背面排放的热气混合，即冷热气流短路，其中的一些进入了机柜正面，另一些则流到了空调回风口。这三张图说明了为什么空调回风口温度不高的原因，也很直观地展示了早期IDC机房的散热误区——先冷环境再冷设备。

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图4.8、图4.9是早期IDC机房10个机柜正、背面的温度统计。

图4.8 早期IDC机房的机柜正面温度（℃）

图4.9 早期IDC机房的机柜背面温度（℃）

从以上数据可见，早期IDC机房机柜正面进气温度不低，背面排气温度很高，第二列6~10号机柜尤其明显。散热效率这么差，将无法保证机房内IT设备的正常工作，如果IT设备的装机密度及散热功率再有所提升，热点温度会更高，设备的正常

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使用寿命都将受到影响，所以必须通过调整机房布局来改善其散热气流组织方式。

4.2 架空地板加冷热通道分离IDC机房的ANSYS热分析

还是先用Icepak建立IDC机房模型如图4.10所示。

图4.10 架空地板加冷热通道分离IDC机房的Icepak模型

IDC机房、架空地板、精密空调和IT机柜的位置和尺寸如表4-2所示，机房、机柜尺寸与早期IDC机房的一样，空调的尺寸则因为从上送风、下回风改为下送风、上回风而有所变化。机柜、空调的位置因为安装了0.5m高的架空地板也有所变化。机柜散热功率、空调的送风温度和送风量都与早期IDC机房的一样。

表4-2 架空地板加冷热通道分离IDC机房及内部设备的位置和尺寸（单位：m） IDC机房 架空地板 精密空调 1号机柜 2号机柜 xStart 0.00 0.00 2.00 2.50 2.50 xLength 6.00 6.00 2.00 -1.10 -1.10 yStart 0.00 0.50 0.50 0.50 0.50 yLenth 3.50 0.00 2.00 2.20 2.20 zStart 0.00 0.00 0.90 2.75 3.40 zLenth 7.00 7.00 0.85 0.65 0.65 28

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3号机柜 4号机柜 5号机柜 6号机柜 7号机柜 8号机柜 9号机柜 10号机柜 通风地板 xStart 2.50 2.50 2.50 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50 2.50 xLength -1.10 -1.10 -1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.00 yStart 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 yLenth 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 2.20 0.00 zStart 4.05 4.70 5.35 2.75 3.40 4.05 4.70 5.35 2.75 zLenth 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 3.25 表中1~5号机柜在X方向的起点是2.50m，长度是-1.10m，这样表示主要是为了突出这五个机柜是朝向正X方向的，而6~10号机柜则是朝向负X方向的，两列机柜面对面摆放，它们正面之间的区域是冷通道，它们背后的区域是热通道，如此实现了冷热通道分离。冷通道内铺设防静电通风地板，其他区域铺设普通防静电地板。

下来生成网格，参见图4.11。

图4.11 架空地板加冷热通道分离IDC机房的网格

下面是计算结果。

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图4.12 架空地板加冷热通道分离IDC机房的表面温度轮廓图

图4.12是架空地板加冷热通道分离IDC机房的表面温度轮廓图，为了便于比较，此处的温标（12.80℃~32.26℃）已被设置成与早期IDC的保持一致。在IT设备功率、精密空调送风温度和送风量相同的情况下，此处的热点温度仅22.57℃，比早期IDC机房的32.26℃低了9.69℃。此处机柜背面都是绿色，平均温度为22.01℃，而早期IDC机房机柜背面绝大部分是红黄色，平均温度为29.05℃，平均温度差是7.04℃。此处温度不仅低得多，而且均匀一致，其散热效率要好出很多。

图4.13 架空地板加冷热通道分离IDC机房的等角投影气流图

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图4.14 架空地板加冷热通道分离IDC机房的正X方向气流图

图4.13和图4.14是架空地板加冷热通道分离IDC机房的气流图。空调送出的冷气经通风地板进入冷通道，再进入机柜冷却IT设备，机柜排出的低密度热气进入热通道并上升到机房上部，在空调回风口吸力的作用下回到精密空调。与早期IDC相比，此处的气流走向更加清晰。不过还是有一些冷气从冷通道流出并绕行进入热通道，造成冷热气流短路，数量虽然不多，但还是会有浪费，此问题将在下一节中解决。

图4.15 架空地板加冷热通道分离IDC机房的机柜正面温度（℃）

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图4.16 架空地板加冷热通道分离IDC机房的机柜背面温度（℃）

图4.15和图4.16是冷热通道分离IDC机房10个机柜正、背面的温度统计。机柜正面温度与空调送风温度接近，背面排气温度与热点温度接近，而且两列机柜间基本没有差异，如此可以保证所有IT设备都能正常工作。

4.3 冷通道封闭IDC机房的ANSYS热分析

图4.17 冷通道封闭IDC机房的Icepak模型

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先用Icepak建立机房模型，参见图4.17。

在此我们没有完全封闭冷通道，而只是在图4.10所示架空地板加冷热通道分离IDC机房模型的基础上为冷通道添加了两个侧门，即完成了该机房模型的冷通道封闭。由于冷气密度大，通常会沉于冷通道底部，所以只要控制好空调风量，即能确保冷气不会溢出没有顶棚的冷通道，从而与完全封闭冷通道做到一样的效果，还能节省顶棚材料。冷通道封闭的位置和尺寸如表4-3所示。

表4-3 冷通道封闭IDC机房所用隔板的位置和尺寸（单位：m） 冷通道1号侧门 冷通道2号侧门 xStart 2.50 2.50 xLength 1.00 1.00 yStart 0.50 0.50 yLenth 2.20 2.20 zStart 2.75 6.00 zLenth 0.00 0.00 然后生成网格，参见图4.18。与冷热通道分离IDC机房的网格（图4.11）有所不同，此处冷通道两边侧门所在位置也有网格生成。

图4.18 冷通道封闭IDC机房的网格

下面是计算结果。图4.19所示的表面温度轮廓图约略看来与冷通道封闭前（图4.12）差不多，但是仔细对比还是有不同的：冷通道封闭后机柜正面蓝色面积更大、更均匀，即冷气覆盖到更多IT设备；机柜背面颜色偏蓝些，也就是温度更低些；精密空调面对机柜那一面的颜色偏绿，说明空调表面温度更高些，冷气更多地被用于需

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要散热的IT设备。这里的热点温度为21.50℃，比冷通道封闭前又低了1.07℃。

图4.19 冷通道封闭IDC机房的表面温度轮廓图

图4.20和图4.21是冷通道封闭后IDC机房的气流图，约略看来与冷通道封闭前（图4.13、图4.14）也较相似，主要表现在气流走向上，此外温度差距也不大。但是仔细辨别还是能发现明显的差别：对冷热气流短路遏制得更好，同时基本没有冷气从冷通道流失，它们更多地被用于冷却IT设备，冷通道封闭后的散热效率更高。

图4.20 冷通道封闭IDC机房的等角投影气流图

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图4.21 冷通道封闭IDC机房的正X方向气流图

由于冷通道封闭前、后的表面温度轮廓图和气流图分列于两个小节，前、后翻页比对比较困难。下一节将把这些图像合成在一起对比，从而更加清晰地展现冷通道封闭的作用。

图4.22和图4.23是冷通道封闭后的机柜正、背面温度统计，与封闭前相比只能用更加理想来形容。

图4.22 冷通道封闭IDC机房的机柜正面温度（℃）

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图4.23 冷通道封闭IDC机房的机柜背面温度（℃）

机柜正面：最高温度由封闭前的21.33℃降至封闭后的18.01℃，下降了3.32℃；平均温度由13.70℃降至13.19℃，下降了0.51℃；平均标准差由1.73℃降至0.98℃，下降了0.75℃，说明封闭后机柜间的温差更小。机柜背面：最高温度由22.57℃降至21.50℃，下降了1.07℃；平均温度由22.01℃降至21.38℃，下降了0.63℃；平均标准差由0.51℃降至0.38℃，下降了0.13℃。

4.4 冷通道封闭前后ANSYS热分析比较

在之前的三个小节中，为了便于对三者进行全局比较，架空地板加冷热通道分离IDC机房以及冷通道封闭IDC机房的表面温度轮廓图和气流图的温标被设置成与早期IDC机房保持一致。

为了更清晰地展现冷通道封闭前后散热效果的差异，在本节将按架空地板加冷热通道分离IDC机房的热点温度（22.57℃）调整温标，并把冷通道封闭前后IDC机房的软件仿真图合成在一起实施对比。

图4.24~4.26是最高温标调至22.57℃后，冷通道封闭前后IDC机房的表面温度轮廓图对比、等角投影气流图对比和正X方向气流图对比。

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图4.24 冷通道封闭前后表面温度轮廓图对比

图4.25 冷通道封闭前后等角投影气流图对比

图4.26 冷通道封闭前后正X方向气流图对比

通过温标调整，冷通道封闭后IT设备温度和散热气流的改善状况可以看得更清楚了。冷通道封闭后，散热效率改善幅度看似不大，但是节能效果还是客观存在的。

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机柜热点温度下降了1.07℃，所以空调送风温度可以提升1℃，回风温度也会升高1℃左右，而当空调的送、回风温度提高1℃时，制冷系统节电约2.5%，同时其制冷能力提高约5%[17]。

4.5 应用ANSYS软件寻找空调最适工况

上述三个IDC机房ANSYS热分析案例中，精密空调的工况保持恒定，即空调送风温度都是12.8℃，空调送风量都是3m3/s。如果IT设备散热功率保持不变，让精密空调的工况在一定范围内变动，则机房的热点温度将随之变化。测试、记录并分析这些数据，将能用来寻找给定IT设备散热功率下，精密空调的最适工况，通过这个实验可以快速找到既能满足IDC机房散热需求，又能实现节能的精密空调最佳工作模式。

这里将分别给出冷通道封闭前、后的两张三维曲面图，从中寻找规律，相互之间还能有所比较。图4.27是用架空地板加冷热通道分离IDC机房测试数据绘制的曲面图，而图4.28是用冷通道封闭IDC机房测试数据绘制的曲面图。图4.27所示热点温度要比图4.28的整体高出1.0℃左右，这两张曲面图再次反映了冷通道封闭后IDC机房的散热效率得到提高。

图4.27 架空地板加冷热通道分离IDC机房热点温度与空调工况之关系

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第四章 应用ANSYS软件对IDC机房实施热分析

图4.28 冷通道封闭IDC机房热点温度与空调工况之关系

虽然代表不同的IDC机房，但是图4.27和图4.28所反映的机房热点温度随空调工况变化的大趋势是一致的，这里将仅以冷通道封闭IDC机房的热点温度曲面图为例来做分析。

由图4.28可见，冷通道封闭IDC机房的热点温度与空调送风温度呈线性关系：送风温度每下降1℃，热点温度也下降1℃。

热点温度与空调送风量呈非线性关系：送风量自2.1m3/s增至3.1m3/s，热点温度在下降，但是下降速度趋缓，送风量过了3.1m3/s后，热点温度将维持不变。这说明送风量也不是越大越好，在此冷通道封闭IDC机房中，过了3.1m3/s后再加大空调送风量，风量增量所为将是无用功，这3.1m3/s就是在当前的IT设备散热功率及机房布局下空调的最适送风量。

空调的最适送风温度则可以根据IT设备可以容忍的热点温度上限以及上面得到的3.1m3/s的最适送风量来查表确定，假设IT设备可以容忍的热点温度是23℃，那么空调的最适送风温度就是14.4℃。

值得注意的是，在代表冷通道封闭前的图4.27中，送风量过了3.4m3/s后，热点温度反而开始上升，这时再加大空调送风量，风量增量所为将是负功，这也从侧面反映了冷通道封闭对散热功效的提升。

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第四章 应用ANSYS软件对IDC机房实施热分析 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

4.6 本章小结

本章应用ANSYS软件分别对早期IDC机房、架空地板加冷热通道分离IDC机房和冷通道封闭IDC机房实施了热分析。可以看到，架空地板加冷热通道分离IDC机房的散热效率比早期IDC机房高出很多，而冷通道封闭IDC机房的散热效率又比架空地板加冷热通道分离IDC机房更胜一筹。应用ANSYS软件，还能在IT设备散热功率保持恒定的情况下，让精密空调工况在一定范围内变动来测算机房内的热点温度变化，通过数据分析，可以从中寻找到精密空调的最适工况。

下一章将对本文作一个回顾总结，同时展望一下未来的IDC机房节能举措。

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应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计 第五章 总结与展望

第五章 总结与展望

5.1 总结

热设计是指通过相关的技术手段，对电子设备进行充分的冷却，达到满足可靠性以及使用寿命需求的过程[18]。例如，CPU的自发热是IT设备热点的罪魁祸首，需要安装散热片及风扇将热量带走，散热片和风扇的形状、尺寸及安装位置就是热设计的对象。

本课题的研究对象是IDC机房的最优散热方案设计。 已知研究方法有三：

（1）架空地板加冷热通道分离方式； （2）冷通道封闭方式； （3）热通道封闭方式。

在综述已有研究方法的前提下，选择ANSYS的Icepak套件，构造不同的工作方式，扫描自变量选择空调送风温度和送风量，因变量选择机柜热点温度，数据报告形式选用了三维图解。

仿真结果表明，机柜热点温度（因变量）存在较好的寻最小值区间，可以找到给定IT设备散热功率下的空调最适工况——既能满足机房散热需求，又能实现节能。

典型结果报告如下：

（1）冷通道封闭IDC机房的热点温度与空调送风温度呈线性关系。 送风温度每下降1℃，热点温度也下降1℃。

（2）冷通道封闭IDC机房的热点温度与空调送风量呈非线性关系。

送风量自2.1m3/s增至3.1m3/s，热点温度在下降，但是下降速度趋缓；送风量过了3.1m3/s后，热点温度将维持不变。

本工作研究意义：对比验证了已知三种主流散热方法中的前两种，扼要讨论了第三个新主流方案的潜在优势和可能不足。

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第五章 总结与展望 应用ANSYS热分析软件优化IDC机房散热设计

5.2 展望

应用ANSYS热分析软件可以优化IDC机房的热设计，从早期IDC机房的冷热气流混杂，到冷热通道分离，再到冷通道封闭，IT机柜热点温度从32.26℃降到22.57℃，再到21.50℃，散热效果提升明显。IDC机房在实施冷通道封闭以后还有什么节能举措，以下是一些研究趋势。

（1）热通道封闭

热通道封闭在第一章绪论中已有述评，它可以进一步提升空调的回风温度，较高的回风温度有助于提升室外机冷凝盘管的热交换，从而提高空调的制冷容量和整体的能效[19]。当然机房层高对吊顶的限制、施工难度以及投资金额也是需要考虑的因素。

（2）空调升温

机柜热点温度降下来了，空调的送风温度就不必那么低了，空调送风温度每提高1℃，制冷系统大约可以获得2.5%的节电率。

（3）提高IT设备密度

空调不做扩容而提高IT设备密度，充分挖掘IDC机房的工作效能，也是一种节能举措。空调工况维持不变，冷通道封闭IDC机房的IT设备装载密度大约可以提高至早期IDC机房的3倍[20]。

IDC机房中如有刀片服务器之类的超高散热功率设备，在通常的空调工位增加精密空调或者提高空调制冷量经常是远水不解近渴，这时在刀片服务器所在机柜的上方安装局部空调系统会是一种很好的解决方法[21]。

ANSYS仿真的IDC机房是一个理想模型，真实的机房会有这样或者那样的缺陷，地板静压箱、冷通道的漏气就是一个问题，这同样会造成冷热气流短路，为此必须确保冷气流通道的气密性。

因个人经验以及时间所限，仍有许多深入研究尚未涉及，计划在将来的工作和学习当中予以实现。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rysr.html