數(shù)據(jù)機(jī)柜熱設(shè)計優(yōu)化分析

熱設(shè)計 2025-12-09

1概述

近年來,我國已建設(shè)了近20多條高速鐵路,高鐵已經(jīng)成為許多人生活的一部分,高鐵已經(jīng)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(xué)(CFD)方法可以有效預(yù)測模擬數(shù)據(jù)機(jī)柜內(nèi)的速度?壓力及溫度分布;利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對機(jī)柜內(nèi)風(fēng)機(jī)失效的不同工況進(jìn)行了熱模擬計算,得到了不同工況下機(jī)柜的溫度?速度分布?

2物理模型及方案說明

本文以某數(shù)據(jù)機(jī)柜為實例,每個機(jī)柜的尺寸為1.105m(長)×2.02m(高)×0.648m(寬),機(jī)柜前后殼體散熱開孔率為0.8?機(jī)柜內(nèi)主要布置了4臺聯(lián)想工作站?3個IBM服務(wù)器和1個交換機(jī),機(jī)柜總熱耗為954W;機(jī)柜頂部布置了6個Sanyo風(fēng)機(jī),聯(lián)想工作站?服務(wù)器?交換機(jī)內(nèi)均布置了相應(yīng)的風(fēng)機(jī),其熱仿真模型如圖1所示?機(jī)柜工作的環(huán)境溫度為25℃?

對柜體內(nèi)的工作站進(jìn)行編號,從下往上依次為工作站A?B?C?D;服務(wù)器的編號依次為服務(wù)器1?2?3?

由于機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器和交換機(jī)的真實模型比較復(fù)雜,為了減少CFD模擬的計算量,使用ANSYSIcepak的參數(shù)化計算功能,計算得到單個真實服務(wù)器?交換機(jī)的系統(tǒng)阻力曲線,然后根據(jù)阻力曲線,計算得到服務(wù)器和交換機(jī)的阻力系數(shù)?在熱仿真軟件內(nèi),使用簡化阻尼模型(輸入阻力系數(shù))來建立服務(wù)器和交換機(jī)的熱模型;對聯(lián)想工作站,使用軟件的自建模功能,建立其詳細(xì)的熱模型?

建立機(jī)柜機(jī)架?機(jī)柜前后門(開孔率約為0.8)的熱模型,將簡化后的服務(wù)器?交換機(jī)以及詳細(xì)的工作站熱模型放置于機(jī)柜內(nèi),最終建立機(jī)柜的完整熱仿真模型?

本文主要是比較機(jī)柜內(nèi)部各個風(fēng)機(jī)是否失效,對機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)各個模塊溫度的影響,相應(yīng)的計算工況包括:

工況1:機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)各個風(fēng)機(jī)均正常工作;

工況2:機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)失效(或風(fēng)機(jī)關(guān)閉);

工況3:工作站自帶的風(fēng)機(jī)和機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)均失效;

工況4:工作站自帶的風(fēng)機(jī)失效;

工況5:機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)所有的風(fēng)機(jī)均失效?

3計算結(jié)果比較

在熱仿真軟件中分別對5種工況進(jìn)行了模擬計算,得到了機(jī)柜內(nèi)的溫度?速度分布圖,并且對4種工況進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析?

3.1工況1:機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)各個風(fēng)機(jī)均正常工作

此工況下存在明顯的氣流短路現(xiàn)象?在機(jī)柜頂部風(fēng)機(jī)造成的負(fù)壓作用下,部分冷空氣直接從前后殼體的散熱孔流入機(jī)柜,然后直接被機(jī)柜頂部的風(fēng)機(jī)直接排出,頂部風(fēng)機(jī)并未起到冷卻柜體內(nèi)器件的作用,造成了電力資源的浪費?

如圖2所示,柜體內(nèi)此切面的最高溫度為43.36℃,出現(xiàn)在工作站D的區(qū)域內(nèi)?從溫度云圖中,可以看出,工作站?服務(wù)器及交換機(jī)排出的熱空氣風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下,直接被頂部風(fēng)機(jī)排出機(jī)柜?

柜體的最高溫度出現(xiàn)在服務(wù)器1正對的機(jī)柜后側(cè)面,最高溫度為29.20℃?服務(wù)器排出的熱空氣與外界冷空氣混合后,在頂部風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下,重新流入機(jī)柜內(nèi),最后從機(jī)柜頂部排出?

機(jī)柜內(nèi)各個模塊的溫度云圖分布如圖3所示,最高溫度出現(xiàn)在工作站D的區(qū)域內(nèi),最高溫度為53.06℃?

3.2工況2:機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)失效(或風(fēng)機(jī)關(guān)閉)

由于機(jī)柜頂部風(fēng)機(jī)失效,機(jī)柜內(nèi)氣流短路現(xiàn)象消失?冷空氣從機(jī)柜前側(cè)進(jìn)入機(jī)柜,然后在各個模塊內(nèi)風(fēng)機(jī)的作用下,流入各個模塊,最后直接從機(jī)柜后側(cè)的散熱孔流出機(jī)柜?

柜體內(nèi)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(wù)器?交換機(jī)排出的熱空氣傾斜向上流動,最后從機(jī)柜后側(cè)散熱孔排出機(jī)柜?

所有的熱空氣均從機(jī)柜后側(cè)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(xiàn)在機(jī)柜后側(cè)面的頂部區(qū)域,最高溫度為32.60℃?

機(jī)柜內(nèi)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(jié)果,可以看出,當(dāng)機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)失效或者直接關(guān)閉機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī),對機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)各個模塊的溫度影響不大,但是會影響機(jī)柜殼體表面的溫度分布,如果機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)失效或者將其關(guān)閉,機(jī)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(fēng)機(jī)和機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)失效

由于機(jī)柜頂部風(fēng)機(jī)失效,機(jī)柜內(nèi)沒有氣流短路現(xiàn)象?由于工作站內(nèi)風(fēng)機(jī)失效,工作站僅僅依靠自然冷卻進(jìn)行散熱,工作站內(nèi)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(biāo)注的方形區(qū)域內(nèi),工作站區(qū)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(wù)器1內(nèi),使得此工況下,服務(wù)器1的溫度勢必高于工況1?工況2?

機(jī)柜前殼體也出現(xiàn)高溫區(qū)域,這主要是工作站自然冷卻,使得熱空氣上升,造成此區(qū)域的溫度升高?由于機(jī)柜頂部風(fēng)機(jī)不工作,機(jī)柜的最高溫度出現(xiàn)在后側(cè)散熱孔的頂部,最高溫度為34.08℃?

機(jī)柜內(nèi)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(nèi)風(fēng)機(jī)失效,工作站僅僅依靠自然冷卻進(jìn)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(fēng)機(jī)失效

與工況3相比,由于此時機(jī)柜頂部風(fēng)機(jī)工作,機(jī)柜頂部區(qū)域仍然出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象(如果在頂部增加導(dǎo)流板,則可以消除氣流短路現(xiàn)象)?

氣流從機(jī)柜前后殼體流入機(jī)柜,最后從機(jī)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(jī)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(jī)柜內(nèi)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(dāng)服務(wù)器的風(fēng)機(jī)失效時,開啟機(jī)柜頂部的風(fēng)機(jī),會進(jìn)一步降低工作站內(nèi)器件的溫度分布?

3.5工況5:機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)所有的風(fēng)機(jī)均失效

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

4結(jié)論

1)利用ANSYSIcepak軟件對防災(zāi)監(jiān)測機(jī)柜進(jìn)行了不同工況的熱仿真分析,當(dāng)工作站?服務(wù)器?交換機(jī)內(nèi)的風(fēng)機(jī)正常工作時,開啟或關(guān)閉機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī),機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)器件的溫度不會有明顯變化;但是機(jī)柜外殼的最高溫度上升約3.4℃?

2)當(dāng)機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)關(guān)閉)與工作站自帶的風(fēng)機(jī)均失效時,機(jī)柜內(nèi)的最高溫度為75.33℃,比風(fēng)機(jī)未失效時,溫度升高了約22℃;如果重新開啟機(jī)柜自帶的風(fēng)機(jī),機(jī)柜內(nèi)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(jī)柜頂部的風(fēng)機(jī),會進(jìn)一步降低工作站內(nèi)器件的溫度分布?