数据机柜热设计优化分析

2017-06-06  by:CAE仿真在线  来源:互联网

1 概述

近年来,我国已建设了近20多条高速铁路,高铁已经成为许多人生活的一部分,高铁已经融入百姓的生活,高速、安全、便捷是出行的首选交通工具。

使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法可以有效预测模拟数据机柜内的速度、压力及温度分布;利用ANSYS Icepak热分析软件分别对机柜内风机失效的不同工况进行了热模拟计算,得到了不同工况下机柜的温度、速度分布。

2 物理模型及方案说明

本文以某数据机柜为实例,每个机柜的尺寸为1.105 m(长)×2.02 m(高)×0.648 m(宽),机柜前后壳体散热开孔率为0.8。机柜内主要布置了4台联想工作站、3个IBM服务器和1个交换机,机柜总热耗为954 W;机柜顶部布置了6个Sanyo风机,联想工作站、服务器、交换机内均布置了相应的风机,其热仿真模型如图1所示。机柜工作的环境温度为25 ℃。

对柜体内的工作站进行编号,从下往上依次为工作站A、B、C、D;服务器的编号依次为服务器1、2、3。

由于机柜内服务器和交换机的真实模型比较复杂,为了减少CFD模拟的计算量,使用ANSYS Icepak的参数化计算功能,计算得到单个真实服务器、交换机的系统阻力曲线,然后根据阻力曲线,计算得到服务器和交换机的阻力系数。在热仿真软件内,使用简化阻尼模型(输入阻力系数)来建立服务器和交换机的热模型;对联想工作站,使用软件的自建模功能,建立其详细的热模型。

建立机柜机架、机柜前后门(开孔率约为0.8)的热模型,将简化后的服务器、交换机以及详细的工作站热模型放置于机柜内,最终建立机柜的完整热仿真模型。

本文主要是比较机柜内部各个风机是否失效,对机柜系统内各个模块温度的影响,相应的计算工况包括:

工况1:机柜系统内各个风机均正常工作;

工况2:机柜自带的风机失效(或风机关闭);

工况3:工作站自带的风机和机柜自带的风机均失效;

工况4:工作站自带的风机失效;

工况5:机柜系统内所有的风机均失效。

3 计算结果比较

在热仿真软件中分别对5种工况进行了模拟计算,得到了机柜内的温度、速度分布图,并且对4种工况进行了详细的比较分析。

3.1 工况1:机柜系统内各个风机均正常工作

此工况下存在明显的气流短路现象。在机柜顶部风机造成的负压作用下,部分冷空气直接从前后壳体的散热孔流入机柜,然后直接被机柜顶部的风机直接排出,顶部风机并未起到冷却柜体内器件的作用,造成了电力资源的浪费。

如图2所示,柜体内此切面的最高温度为43.36℃,出现在工作站D的区域内。从温度云图中,可以看出,工作站、服务器及交换机排出的热空气风机的负压作用下,直接被顶部风机排出机柜。

柜体的最高温度出现在服务器1正对的机柜后侧面,最高温度为29.20 ℃。服务器排出的热空气与外界冷空气混合后,在顶部风机的负压作用下,重新流入机柜内,最后从机柜顶部排出。

机柜内各个模块的温度云图分布如图3所示,最高温度出现在工作站D的区域内,最高温度为53.06 ℃。

3.2 工况2:机柜自带的风机失效(或风机关闭)

由于机柜顶部风机失效,机柜内气流短路现象消失。冷空气从机柜前侧进入机柜,然后在各个模块内风机的作用下,流入各个模块,最后直接从机柜后侧的散热孔流出机柜。

柜体内此切面的最高温度为42.73 ℃。从温度云图中,可以看出,工作站、服务器、交换机排出的热空气倾斜向上流动,最后从机柜后侧散热孔排出机柜。

所有的热空气均从机柜后侧的散热孔排出,由于热空气均向上流动,因此柜体的最高温度出现在机柜后侧面的顶部区域,最高温度为32.60 ℃。

机柜内各个模块的温度云图分布如图4所示,最高温度为53.29 ℃。

对比工况1、工况2的计算结果,可以看出,当机柜自带的风机失效或者直接关闭机柜自带的风机,对机柜系统内各个模块的温度影响不大,但是会影响机柜壳体表面的温度分布,如果机柜自带的风机失效或者将其关闭,机柜外壳的最高温度上升约3.4 ℃。

3.3 工况3:工作站自带的风机和机柜自带的风机失效

由于机柜顶部风机失效,机柜内没有气流短路现象。由于工作站内风机失效,工作站仅仅依靠自然冷却进行散热,工作站内的流速较低,工作站A、B、C、D的温度依次升高,这主要是因为自然冷却使得热空气向上流动,因此工作站D的温度最高,最高温度为65.84 ℃。

另外,从图中标注的方形区域内,工作站区域的热空气上升,部分热空气会与冷空气混合,然后流入服务器1内,使得此工况下,服务器1的温度势必高于工况1、工况2。

机柜前壳体也出现高温区域,这主要是工作站自然冷却,使得热空气上升,造成此区域的温度升高。由于机柜顶部风机不工作,机柜的最高温度出现在后侧散热孔的顶部,最高温度为34.08 ℃。

机柜内各个模块的温度云图分布如图5所示,最高温度为75.33 ℃。由于此工况工作站内风机失效,工作站仅仅依靠自然冷却进行散热,使得其温度明显升高。与工况1、2相比,最高温度升高了约22 ℃。

3.4 工况4:工作站自带的风机失效

与工况3相比,由于此时机柜顶部风机工作,机柜顶部区域仍然出现气流短路现象(如果在顶部增加导流板,则可以消除气流短路现象)。

气流从机柜前后壳体流入机柜,最后从机柜顶部流出。此工况切面的最高温度为53.25 ℃。与工况3相比,最高温度降低了约12.6 ℃。

机柜壳体的温度分布与工况1类似,最高温度为29.83 ℃,与工况3相比,温度降低了约4.3 ℃。

机柜内各个模块的温度云图分布如图6所示,最高温度为62.88 ℃,与工况3相比,最高温度降低了约12.5 ℃。可以看出,当服务器的风机失效时,开启机柜顶部的风机,会进一步降低工作站内器件的温度分布。

3.5 工况5:机柜系统内所有的风机均失效

此工况下,所有的风机均失效,那么机柜只能依靠自然冷却进行散热,切面的速度非常低,最大速度仅0.3 m/s;切面的最高温度高达428 ℃(理论上),此时服务器内器件必将被烧坏,机柜将停止工作。

4 结论

1)利用ANSYS Icepak软件对防灾监测机柜进行了不同工况的热仿真分析,当工作站、服务器、交换机内的风机正常工作时,开启或关闭机柜自带的风机,机柜系统内器件的温度不会有明显变化;但是机柜外壳的最高温度上升约3.4 ℃。

2)当机柜自带的风机(风机关闭)与工作站自带的风机均失效时,机柜内的最高温度为75.33 ℃,比风机未失效时,温度升高了约22 ℃;如果重新开启机柜自带的风机,机柜内的最高温度为62.88℃,最高温度降低了约12.5 ℃,此工况下,开启机柜顶部的风机,会进一步降低工作站内器件的温度分布。

3)当机柜内所有的风机均失效,此时机柜的最高温度高达428 ℃(理论上),机柜系统早已停止工作。

(收稿日期:2016-06-06)

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