此篇文章为补录2019年8月1日头条 发文，全篇正文内容如下：
摘要：在数据中心设计阶段，通过实际实验对数据中心机房及相关产品进行优化，成本特别高，周期长，操作极其不方便，而且受到环境因素影响也特别多。因此，需要利用到CFD（计算流体力学）技术对数据中心及相关产品进行优化设计，从而达到理想的配置。
目前CFD技术主要在百旺信数据中心的节能分析，主要包括：1）环境级的优化配置。利用CFD技术对数据中心机房的整体布局的热分析和气流布局分析，从而达到合理的配置。2）系统级的优化。利用CFD技术，对电子设备机箱、机柜、空调进行仿真分析，从而达到合理的设备尺寸 。3）元件级的优化布局。利用CFD技术，对空调设备里的换热器、管道等原件进行热分析，从而得到合理的元件配置和运行工况。
1背景
随着IT 设备的高精密度化发展，数据机房面临的散热问题成为了人们的关注热点，数据中心机房是进行数据集中处理的重要场所，全年不间断的运行会使数据机房中的设备消耗大量电量和热量[1]。故机房应布局合理，气流组织分布科学，避免产生冷热气流混合、局部热点及冷量损失等制冷不均匀现象；
保障机房设备良好的运行环境，降低IT设备故障发生概率、降低PUE （Power UsageEffectiveness，电源使用效率）值及减少机房能源损耗[2]。目前在运营和即将建设的数据中心存在着大量的问题，主要包括：1）设计冗余太多；2）设计脱离实际；3）设备和系统耦合性差；4）盲目采用水系统空调；5）机架设备布局不合理；6）施工不合理，造成空调能耗增加；7）运维管理失当；8）计算负载错误，严重偏离实际，造成浪费；8）管理人员盲信自己水平，严重夸大事实[3]。
同时对于数据中心相关产品的设计，由于实际实验成本高，难以完全获得必要的实验数据。而且通过实际实验对产品进行优化，成本高，时间周期长，而且难以获得理想的产品设计。因此，CFD技术在数据中心相关产品的设计中就显得十分重要。
针对上述问题，对于机房设计，《数据中心设计规范》（GB50174-2017）规定：“主机房空调系统的气流组织形式，应根据电子信息设备本身的冷却方式、设备布置方式、设备散热量、室内风速、防尘和建筑条件综合确定，并应采用计算流体动力学（CFD）对主机房气流组织进行模拟和验证。”
对于数据中心相关产品，不同的公司都配备有自己的仿真实验人员，利用成熟商业CFD软件，对产品进行优化，从而获得理想的产品设计。
2 环境级的优化配置
这里主要指对机房的气流布局和热分析，主要包括对数据中心机房验证设计方案和优化设计方案。其中验证设计方案是对现有设计方案进行模拟验证，包括机柜、服务器布置、空调冷量大小与摆放位置、气流组织，看是否合理，有无局部热点？
各台空调的利用率状况如何？空调故障停机情况下机房温升如何？空调是否适宜采取群控方式？优化设计方案是设计方案通过模拟验证后，有不合理的地方进行改进优化，然后对优化方案进行再次模拟，直至优化设计达到满意效果。
通过对设计方案的模拟验证、优化，避免主观失误，保护业主投资，减少或避免机房投产后出现问题的几率，提升机房整体安全性[4]。
2.1 模拟软件
目前对于环境级的优化配置的模拟软件，99.9%均采用常用的通用工程CFD软件。目前适用于数据中心机房的模拟软件包括6 Sigma DCX、IcePak、STAR-CCM等。本案例采用的模拟软件为IcePak.
ICEPAK软件由全球最优秀的计算流体力学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。借助ICEPAK的分析和优化结果，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率（get-right-first-time）、改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间.广泛应用于通讯、汽车及航空电子设备、电源设备，通用电器及家电等领域[5]。
2.2 案例分析
对百旺信四楼机房某布局方案进行热仿真分析，由于四楼机房有四个房间，每个房间布局一致，因此在建模时，可以仅考虑一个房间进行建模。在Icepak上建立的虚拟机房模型，如图 1所示，环境温度27.5℃，湿度60%。
最终仿真结果如图 2所示，除了机柜出风口处为34℃，其余均低于28℃。且仅开列间空调时，房间温度与机柜温度之间几乎不干扰。
虚拟机房
房间内仿真结果
3 系统级的优化分析
这里主要是指对设备的热仿真分析，从而达到各部件之间安装尺寸的合理布局。由于数据中心空间有限，因此需要合理安排设备之内各部件之间的安装距离。通过利用CFD，优化各部件之间的安装距离和安装尺寸 ，减小主观失误。
3.1 模拟软件
对于系统级的优化分析，目前绝大多数企业均采用通用CFD软件，目前Fluent、STAR-CCM、CFX，Icepak，6 Sigma DCX等都可以做系统级的优化分析。本次采用Fluent进行系统级的优化分析。
Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。Fluent可以解决6 SigmaDCX 、Icepak等环境级优化配置软件不能解决的问题，如蒸发冷凝冷却。
3.2 案例分析
对于百旺信数据中心某新型设备内三组560风机的安装高度进行了仿真分析，其中每个风机风量为12000m3/h。经仿真后，如图 2所示，当风机安装高度为200mm时，在离风机200mm的地方，速度分布极其不均匀，最大速度和最小速度之间相差21%。
由于流量，ρ为空气密度，v为速度，A为截面积。因此，距离风机200mm高度处，最大流量和最小流量之间相差21%。同理其它高度处，均可以得出不同高度处的流量差距。经整理后，如图 3所示，最终能够得出风机的安装高度在350mm-400mm时最为合适。
距离风机200mm的设备截面处
流量差距-安装高度之间的关系
4 元件级的优化设计
这里主要是指设备内部的元器件的优化设计和分析。在方案设计之初，由于考虑可能不周详、主观经验等因素，造成设计不合理、材料浪费等。而且采用实际的实验进行优化设计，成本高，周期长，浪费严重，因此需要利用CFD进行仿真分析，从而得出最佳性能的元器件。
4.1 模拟软件
对于数据中心机房的仿真，由于所处气流环境为一般可压缩流环境，没有极端流体现象出现，而且主要为工程级运用，因此可以采用通用CFD软件。由于Icepack，6 Sigma DCX，flotherm等软件主要运用于环境级优化配置，对于元件级仿真计算，精度相对较差，数值方法很少，也不能进行蒸发冷凝等物理模型的计算，对于双流体或多流体的热仿真分析误差也很大，因此不宜运用在元件级的仿真计算中。
对于元件级的CFD计算，则需要采用更专业的CFD软件。目前，较为专业的CFD软件有Fluent，CFX，CFD++等，这些软件带有大量的数值计算方法，可以运用在不同的环境中，也能够进行蒸发冷凝冷却等热物理现象的分析和模拟。
结合百旺信数据中心冷却塔中存在有蒸发等物理现象，因此需要较为专业的通用商业CFD软件，本次采用Fluent进行计算分析。
4.2 案例分析
对百旺信数据中心楼顶的某新型冷塔中的换热器芯体部件进行分析。其中芯体截面积如图所示，考虑到几何对称结构和物理流场对称，因此，在计算中，只对单根换热翅片管进行仿真计算。工况条件为：进风温度27.5℃，相对湿度60%，水温35℃，水量100m3/h的工况下，同时对换热翅片管喷淋，使其喷淋水翅片管之间进行蒸发。
通过利用Fluent对单根翅片管进行仿真，可以初步得到单根翅片管的换热功率和翅片管长度之间的关系，以及单根翅片管与风量之间的关系，如图 4和图 5。
可以从图4和图5，可以看出，单根翅片管的最佳长度1.1-1.2m左右，最佳风量在40000m3/h风量左右。风量超过40000m3/h后，换热功率的增加不再很明显。长度超过1.1m后，换热功率的增加也不再很明显。
因此，利用CFD技术，可以合理的分配元件本身的尺寸和运行，得到更加经济和性能的尺寸。
图某新型换热器换热芯体截面形状
单根翅片管5wm3/h风量下，功率-长度之间的关系
1.5m长度的翅片管功率-风量之间的关系
5 存在的问题
由于CFD技术本身发展时间较短，在国外1984年才开始运用于工业中。而在国内，则是进入2000年后才逐步开始运用于工业中。而且，由于CFD技术运用需要一定的理论门槛，因此，在实际运用中，存在着大量的问题。主要包括
1）CFD仿真结果不可信。由于目前国内许多CFD技术人员并不具备有专业的CFD理论知识，而CFD软件中，通常有大量的不同的数值算法，不同的理论算法，运用场景不一致。而许多CFD技术人员由于没有专业的CFD理论知识，对于算法的适用场景和设置并不清楚，因此造成了仿真结果不可信。
2）CFD成为“背锅侠”。由于许多产品设计，在方案设计之初具有具有强烈的主观性。但是通过利用CFD技术进行仿真分析得到的结果与最初方案设计得到的结果不符合。因此，部分管理人员和技术人员因此严重质疑CFD分析结果，完全不相信CFD结果。
3）将CFD等同为经验公式。由于部分设计人员理论上认知的问题，将CFD等同为经验公式。然而，经验公式为特定于某种环境下，无数结果的共同特征的总结。经验公式适用范围极其狭窄，误差不可控。然而目前连续流CFD技术是以连续N-S为基础的，通过不同的方法和手段，将连续方程离散化，利用计算机求解离散N-S方程（即CFD数值算法或CFD数值方法）。
4）将CFD仿真结果完全等同于实际结果。部分设计人员对CFD仿真结果完全等同于实际结果，这也是不具有专业CFD理论知识的表现。
5）CFD软件适用性范围扩大。目前许多CFD技术人员由于缺乏必要的理论知识，将不同CFD软件的适用范围和适用误差随意扩大，并且范围扩大后又对仿真结果没有做必要的修正。例如部分CFD技术人员将运用于环境级分析的CFD软件，随意扩大到元器件级别，且没有必要的修正，造成仿真结果与实际结果偏离较大。
因此，合理的CFD技术的运用，可以有效的运用于数据中心及相关产品的优化设计之中。
百旺信数据中心的仿真人员，均为硕士博士毕业，毕业学校为国内985高校，专业均为流体力学相关专业，具有专业的CFD理论知识和理论素养。
同时，在SCI，EI高水平期刊上已经发表了多篇以CFD技术为主的文章，其文章上的仿真结果受到国内外的研究人员和工程技术人员的认可。因此，百旺信数据中心的仿真人员能够很好的运用CFD技术，对数据中心机房及相关产品进行更为合理的分析和优化设计。
6 结语
CFD技术在数据中心及相关产品的优化设计中，具有不可替代的作用。通过利用CFD技术，可以有效的减少电能的消耗和材料的浪费，减少PUE值，减少设计周期和设计成本。
百旺信数据中心通过CFD技术，对气流布局和热仿真结果进行分析，
能够有效合理配置机房，以及部件内的安装尺寸，同时优化设计机房内的相关产品的元器件，尤其是换热器元件，可以有效的减少无关能耗的浪费，从而有效的大幅度降低PUE值。
参考文献
[1] 徐慧姣. 冷通道封闭技术在数据机房中的应用及其模拟探讨 [J].通信电源技术,2019, 36(02): 273-5.
[2] 陈坚. 基于CFD仿真的数据中心设计方案优化; proceedings of the 第十五届中国航天电子技术研究院学术交流会, 中国北京, F,2018 [C].
[3] 张泉, 李震. 设计中心节能技术与运用[M]. 北京：机械工业出版 , 2018.
[4] 许泉明. CFD热仿真在数据中心设计阶段的应用探讨 [M]. 2018.
[5] 佚名. 百度百科：Icepak [M]. 2019.
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