摘要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,高性能服務(wù)器的需求不斷增長(zhǎng)。為了保障服務(wù)器長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行,合適的散熱技術(shù)顯得至關(guān)重要。本文以某高性能機(jī)架式服務(wù)器為研究對(duì)象，分析對(duì)比服務(wù)器在強(qiáng)制風(fēng)冷和間接液冷兩種散熱方案下的散熱效果。結(jié)果表明：在低負(fù)荷下，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式和間接液冷散熱方式的效果差別不大；在高負(fù)荷下，間接液冷的散熱效果優(yōu)于強(qiáng)制風(fēng)冷。
1.研究背景
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是 5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)，支撐大數(shù)據(jù)運(yùn)行的服務(wù)器需求不斷增長(zhǎng)。為了保障服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行,合適的散熱技術(shù)顯得至關(guān)重要。機(jī)架式服務(wù)器是指按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以直接安裝在 19 英寸寬機(jī)柜中的服務(wù)器。目前機(jī)架式服務(wù)器的主流散熱方式為強(qiáng)制風(fēng)冷和間接液冷。本文以某高性能機(jī)架式服務(wù)器為研究對(duì)象，分析對(duì)比服務(wù)器在強(qiáng)制風(fēng)冷和間接液冷兩種散熱方案下的散熱效果。
2.基于強(qiáng)制風(fēng)冷的服務(wù)器散熱仿真研究
2.1 機(jī)架式服務(wù)器風(fēng)冷仿真模型建立
本文研究的機(jī)架式服務(wù)器的外形尺寸 為 445 mm×720 mm×87 mm，內(nèi)部包含電源模塊、CPU（兩個(gè)）、內(nèi)存、硬盤(pán)、風(fēng)扇等部件。服務(wù)器內(nèi)部主要發(fā)熱部件及熱功率如表 2.1 所示，圖 2.1 為強(qiáng)制風(fēng)冷服務(wù)器簡(jiǎn)化模型。
2.2 仿真邊界條件設(shè)置
一般情況下，當(dāng)流體速度小于 1/3 風(fēng)速（340m/s）時(shí)，可將流體看作不可壓縮流體，因此可將服務(wù)器內(nèi)部空氣視作不可壓縮流體。本節(jié)使用 flotherm 軟件，對(duì)機(jī)架式服務(wù)器進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷仿真計(jì)算。服務(wù)器內(nèi)部一共有 6 顆軸流式風(fēng)扇，其中電源模塊單獨(dú)有一個(gè)軸流風(fēng)扇冷卻。軸流風(fēng)扇采用吹風(fēng)散熱方式冷卻 CPU 和內(nèi)存，硬盤(pán)最靠近進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口壓力設(shè)為大氣壓力，環(huán)境溫度設(shè)為 25℃。
2.3 仿真結(jié)果分析
服務(wù)器散熱效果評(píng)價(jià)指標(biāo)有 CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)的最高溫度。環(huán)境溫度 25℃，忽略服務(wù)器與外界環(huán)境的輻射換熱，分別對(duì)服務(wù)器低負(fù)荷和高負(fù)荷兩種狀態(tài)進(jìn)行仿真。下圖2.2 和圖 2.3 分別為低負(fù)荷和高負(fù)荷下服務(wù)器的溫度云圖。
從圖 2.2 和圖 2.3 可以看出，無(wú)論是低負(fù)荷還是高負(fù)荷，服務(wù)器內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在 CPU 上，其次是內(nèi)存的溫度較高，而硬盤(pán)最靠近進(jìn)風(fēng)口，其溫度最低。
下表 2.2 為服務(wù)器主要發(fā)熱部件的溫度匯總表。在低負(fù)荷狀態(tài)下，服務(wù)器各部件的溫度均得到較好的控制，CPU 溫度低于長(zhǎng)期運(yùn)行允許的溫度值（95℃）；而在高負(fù)荷狀態(tài)下，CPU 的溫度急劇上升，超過(guò)了峰值允許的溫度值（110℃）。
3.基于間接液冷的服務(wù)器散熱仿真研究
3.1 機(jī)架式服務(wù)器液冷仿真模型建立
間接液冷機(jī)架式服務(wù)器的外形尺寸為 445 mm×720 mm×87 mm，內(nèi)部包含電源模塊、CPU（兩個(gè)）、內(nèi)存、硬盤(pán)、液冷板、水泵等部件。服務(wù)器內(nèi)部主要發(fā)熱部件及熱功率如表 2.1 所示，圖 3.1 為間接液冷服務(wù)器簡(jiǎn)化模型。
一般情況下，當(dāng)流體速度小于 1/3 風(fēng)速（340m/s）時(shí)，可將流體看作不可壓縮流體，因此可將服務(wù)器內(nèi)部空氣以及流道內(nèi)液體視作不可壓縮流體。本節(jié)使用flotherm 軟件，對(duì)機(jī)架式服務(wù)器進(jìn)行仿真計(jì)算。服務(wù)器內(nèi)部一共有 4 顆軸流式風(fēng)扇，其中電源模塊單獨(dú)有一個(gè)軸流風(fēng)扇冷卻。軸流風(fēng)扇采用吹風(fēng)散熱方式冷卻CPU 和內(nèi)存，硬盤(pán)最靠近進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口壓力設(shè)為大氣壓力，環(huán)境溫度設(shè)為 25℃，液冷板入口流體溫度為 25℃。
3.2 仿真結(jié)果分析
服務(wù)器散熱效果評(píng)價(jià)指標(biāo)有 CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)的最高溫度。環(huán)境溫度 25℃，忽略服務(wù)器與外界環(huán)境的輻射換熱，分別對(duì)服務(wù)器低負(fù)荷和高負(fù)荷兩種狀態(tài)進(jìn)行仿真。下圖3.2 和圖 3.3 分別為低負(fù)荷和高負(fù)荷下服務(wù)器的溫度云圖。
從圖 3.2 和圖 3.3 可以看出，在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)存上，當(dāng)服務(wù)器處于高負(fù)荷時(shí)，服務(wù)器內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在 CPU 上，其次是內(nèi)存的溫度較高，而硬盤(pán)最靠近進(jìn)風(fēng)口，其溫度最低。
下表 3.1 為服務(wù)器主要發(fā)熱部件的溫度匯總表。在低負(fù)荷狀態(tài)下，服務(wù)器各部件的溫度均得到較好的控制，CPU 溫度低于長(zhǎng)期運(yùn)行允許的溫度值（95℃）；在高負(fù)荷狀態(tài)下，CPU 的溫度稍有上升，但沒(méi)超過(guò)峰值允許的溫度值（110℃）。與強(qiáng)制風(fēng)冷相比，間接液冷方式下，內(nèi)存和硬盤(pán)的溫度稍有升高，這是因?yàn)闇p少了風(fēng)扇的原因；而 CPU 的溫度降低了，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)和比熱容等遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。因此對(duì)于高負(fù)荷的服務(wù)器，建議采用間接液冷散熱方式。
4.總結(jié)
目前世界各國(guó)均在大力發(fā)展通信技術(shù)，良好的散熱效果是保證服務(wù)器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。對(duì)服務(wù)器進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，將 CPU、硬盤(pán)、內(nèi)存等部件的工作溫度控制在許用范圍內(nèi)，才能有效保證服務(wù)器擁有較好的工作能力和較長(zhǎng)的工作壽命。本文對(duì)服務(wù)器散熱方式進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出的結(jié)論可以作為服務(wù)器散熱設(shè)計(jì)的參考。
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