2019年整理數(shù)據(jù)中心的熱場(chǎng)模擬分析

1、題目：數(shù)據(jù)中心的熱場(chǎng)模擬分析摘要：影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)房間氣流組織的主要因素是入口風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)口的位置、進(jìn)回風(fēng)口的相 對(duì)位置等，本文采用Flue nt軟件來(lái)模擬三維的較復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心空調(diào)室內(nèi)氣流組織的流動(dòng)形能量守恒方程以及k-s方程，采用固定的入口風(fēng)速、出口并在 Flue nt軟件中以直觀的方式表示出了各種不同氣流組（氣流流型圖），分析討論氣流分布的規(guī)律、特點(diǎn)及其適用場(chǎng)式，首先在Gambit里建立物理模型，然后對(duì)所建立的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用空氣流動(dòng) 的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、 風(fēng)速來(lái)對(duì)空調(diào)室內(nèi)進(jìn)行模擬分析， 織方案下氣流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng) 合。結(jié)果證明，利用k-S湍流模型對(duì)空調(diào)房間的氣流組織

2、進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是可行的。這一數(shù)值 模擬方法也能幫助設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)其氣流設(shè)計(jì)方案的效果。這對(duì)于保證良好的房間空調(diào)系統(tǒng)氣 流組織設(shè)計(jì)方案、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)、減少空調(diào)的能耗，對(duì)建筑物熱環(huán)境的節(jié)能設(shè)計(jì)及室內(nèi) 空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)都有重要的意義。In flue ncetheairc on diti onroo mofthedatace ntercurre ntofairorga ni zati onofmain factorise ntrancewind velocity,e nterthe positi ono fplacewithadraught,e nterretur ntop lacewithadraug

3、htofo ppo site po siti on etc.,t hisliterarygraceuseFlue ntsoftwareimitate3Dlya ndmoreco mp licati on sofdatace nterairc on diti onin doorc urren tofairorga nizatio no fflowform,firsti ntheGambitestablishme ntp hysicsmodel,the ntoestablishme nto fphysicsthemodelcarry on ameshdividetheli ne,thequalit

4、ywhichchoosetouseaircurre ntguardHe ngsquare thedistance,momentumguardHengsquarethedistance,energyguardHengsquaredistanceand k - ® gquar edista nce,ado pti on fixofe ntrancewin dvelocity,ex portwin dvelocitycometoairc on diti onin doorcarry onim itatea nalysis,a ndmea ntbykee pin gaview in theF

5、lue ntsoftwarevariousdissimilaritycurre ntofairorga ni zati on the projectdesce ndte mp eraturefielda ndsp eedfield(thecurre ntofairflowadiagram)ofc urren tofair,a naly sisregulation,characteristicsthatdiscusscurrentofair 'distributeanditappiysituation.Resultcertificatethatmakeuseofswiftflowmode

6、ltothecurre ntofairoftheairc on diti onroo morga ni zati on carry onnu mbercalculatio nisviable.This nu mberimitateamethodalsoabilityhel pdesig npersonn elestimat eitscurre ntofairdesig np rojectofeffect.Thisforassura ncegoodsystemcurre ntofairoftheroomairc on diti on orga ni zatio ndesig np roject,

7、exaltati onin doorairquality,decreaseairc on diti ono fabilityc on sume,hottobuil dingen vir onmen tofec ono mye nergydesig nandin doorairqualityofevaluati on allhave importance。fmea ni ng.問(wèn)題重述：在一簡(jiǎn)化為長(zhǎng)為10米，寬為9.5米，高為4米的數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)，在其機(jī)房正中間沿長(zhǎng)度方向并排布置4排服務(wù)器機(jī)柜，每排由 5個(gè)機(jī)柜組成。每個(gè)機(jī)柜為長(zhǎng)1米，寬0.9米，高3米，每個(gè)機(jī)柜平均分成5層，每層稱(chēng)為一個(gè)機(jī)架，每

8、個(gè)機(jī)架房一臺(tái)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器的功率為4千瓦（見(jiàn)圖1）。由于服務(wù)器對(duì)工作環(huán)境要求比較高，特別是環(huán)境溫度，通常數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要對(duì)機(jī)房安 裝風(fēng)冷系統(tǒng)及風(fēng)排熱系統(tǒng)。風(fēng)冷系統(tǒng)將冷風(fēng)（溫度 熱風(fēng)排到機(jī)房外。冷風(fēng)道與熱風(fēng)道交錯(cuò)排列，冷風(fēng)道寬1.5隙率為50%勺空心磚，冷風(fēng)從空心磚進(jìn)入機(jī)房冷風(fēng)道。熱風(fēng)道寬 排風(fēng)孔排出。圖2 ）。機(jī)架的進(jìn)風(fēng)口面對(duì)冷風(fēng)道，出風(fēng)口面對(duì)熱風(fēng)道,13°）送到冷風(fēng)道。風(fēng)熱系統(tǒng)將熱風(fēng)道的米（靠墻邊略小一些），地板是空 1米，熱風(fēng)通過(guò)熱風(fēng)道頂部的 通過(guò)氣流運(yùn)動(dòng)給服務(wù)器降溫（見(jiàn)lOm你的任務(wù)如下:（1） 室內(nèi)流場(chǎng)。（2）建立該問(wèn)題的機(jī)房空氣流場(chǎng)模型，給出冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400

9、立方米/秒的建立該問(wèn)題的熱場(chǎng)分布模型，并在（1）條件下給出該問(wèn)題的溫度場(chǎng)。如果外部環(huán)境溫度為 30，機(jī)房的正常工作溫度為不超過(guò) 30，計(jì)算該機(jī)房1天的制冷能耗。問(wèn)題分析精密空凋/熱通道冷通道熱通遒合理布置機(jī)柜對(duì)于確保機(jī)柜擁有適當(dāng)溫度和足夠的空氣非常重要。采取“面對(duì)面、背靠 背”的機(jī)柜擺放及將空調(diào)設(shè)備與熱通道對(duì)齊方式，這樣在兩排機(jī)柜的正面面對(duì)通道中間布置 冷風(fēng)出口，形成一個(gè)“冷通道”的冷空氣區(qū)，冷空氣流經(jīng)設(shè)備后形成了熱空氣，再被排放到 兩排機(jī)柜背面中的“熱通道”中，最后通過(guò)熱通道上方布置的回風(fēng)口回到空調(diào)系統(tǒng)，使整個(gè) 機(jī)房氣流、能量流流動(dòng)通暢，不但提高了機(jī)房精密空調(diào)的利用率，而且還進(jìn)一步提升了制冷

10、 效杲。基本假設(shè)：在建立數(shù)學(xué)模型前對(duì)室內(nèi)氣體的流動(dòng)先做以下假設(shè)1氣體有無(wú)數(shù)無(wú)間隙的質(zhì)點(diǎn)連續(xù)的組成2氣體質(zhì)點(diǎn)的物理參數(shù)是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)模型建立求解我們采用k-&三維湍流模型方程，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，做如下假設(shè)1室內(nèi)氣體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，為牛頓流體；2室內(nèi)流體溫度變化不大，密度可視為常數(shù)；3室內(nèi)氣體的流動(dòng)形式為穩(wěn)態(tài)紊流；4在紊流中心區(qū)，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散;5室內(nèi)空氣在房間內(nèi)壁面上滿足無(wú)滑移邊界條件。6忽略人為地產(chǎn)熱量，比如呼吸產(chǎn)熱等氣流流動(dòng)的控制方程描述室內(nèi)空氣流動(dòng)的三維 N-S方程可由下列式表示（1 ）質(zhì)量守恒方程：Pi(2 )動(dòng)量守恒方程:(PUi)+上(

11、PUiUj) =OtCxii(3 )能量守恒方程:(AjiT)KSi I Pr其中：P-密度(kg/m3)t -時(shí)間(s)fdlui + 點(diǎn) uj一玉ij比ii 1gXjcxi3j ext 丿icTi丿cxiA + c+ 二(-PUi uj )CXjXii -位置坐標(biāo)(m) ( i=1,2,3分別表示x,y,z三個(gè)方向)Uj- xi方向的速度(m/s)4-粘性系數(shù)(kg/(m.s)湍流模型k-£模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。 程是個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k-£模型假定流場(chǎng)完全是湍流，分子之間的粘性可以忽略。標(biāo)準(zhǔn) 全是湍流的流場(chǎng)有效。K方程是個(gè)精確方程，&#

12、163;方k-£模型因而只對(duì)完標(biāo)準(zhǔn)k-模型的方程湍流動(dòng)能方程k和擴(kuò)散方程名分別如下：(Pk) +才(氐Ui)= CtCxiibk丿釦+ Gk +Gb-冷-YM +SkCXjXii0j式中：Gk 一由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gb 一一由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能+ Cigk(GK +C3Qb) C2gp+ + SgkkYm在可壓縮湍流中，過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)C1, C2, C3，一一常量；Ck 一一 K方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）:CTg一 &方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）;Sk、S名一一用戶自定義的。湍流速度模型 湍流速度從由下式確定k2£其中C,是常量。模型常量如下

13、：Cs=1 44, CZa=1.92, CV=0.09, Ck=1.0, 6E=1.3。這些常量是從數(shù)據(jù)中得來(lái)的，包括空氣、水的基本湍流。它們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了怎樣很好地處理墻壁束縛和自由剪切流。RNG k-z模型RNgs模型是從暫態(tài) N-S方程中推出的，使用了一種叫” Renormalization Group數(shù)學(xué)方法。解析性是由它直接從標(biāo)準(zhǔn)k-S模型變來(lái)，還有其它的一些功能。（1） RNG k- £模型的方程”的F嚴(yán)一仲）+ （Pkui）=點(diǎn)XiXiick）+GK+Gb-陀-Ym+Sk&jck££2點(diǎn)XjiGk 一一由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gb 一一由浮

14、力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Ym在可壓縮湍流中，過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)C1, C2, C3,常量；bk 一 K方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）:一一 £方程的湍流普朗特?cái)?shù)（無(wú)因次數(shù)）;Sk、S客一一用戶自定義的。（2）有效速度模型在RNG中消除尺度的過(guò)程由以下方程:d（雪）=1.72 F dv 阿&3v_1+CvCv “00方程4是一個(gè)完整的的方程，從中可以得到湍流變量怎樣影響雷諾數(shù)，使得模型對(duì)低雷 諾數(shù)和近壁流有更好的表現(xiàn)。在大雷諾數(shù)限制下方程得出：C皆0.0845，來(lái)自RNG理論。這個(gè)值和標(biāo)準(zhǔn) k-&模型總的0.09很接近。在FLUENT中粘性的影響使用在方程的大雷諾數(shù)形式。當(dāng)要

15、計(jì)算低雷諾數(shù)是可以直接使用給出的方程。K-C模型中的模型湍流的產(chǎn)生在Gk項(xiàng)中，表現(xiàn)了湍流動(dòng)能的產(chǎn)生，是按照標(biāo)準(zhǔn)RNG帶旋流修正k-£模型而做的，從糟確的K方程，這項(xiàng)可以定義為：Gk 甲卩jcxi為了評(píng)估 Gk和Boessinesq假設(shè):Gk = iS2S是系數(shù)，定義為：S = J2Sij Sijk - £模型中受湍流浮力影響的 k - S模型當(dāng)重力和溫度要出現(xiàn)在模擬中時(shí)，F(xiàn)LUEN沖的k-z模型在K方程中考慮到了浮力的影響, 相應(yīng)的也在名方程中考慮了，浮力由下式給出：Ggi昔亙Prt cxi這里：Prt 一一湍流能量的普朗特?cái)?shù)gi重力在i方向上的分量。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)和帶旋流修正k

16、-£模型，Prt的默認(rèn)值是0.85.在RNG莫型里Prt=1/ a，這里a是由方程確定的，但是 a0Pr ucp熱膨脹系數(shù)P定義為:利用Flue nt軟件可以模擬出圖像計(jì)算過(guò)程的殘差圖矗1 41 訂Fig.4-1Calculation Etsvdual FLot計(jì)算完成后，我們保存它的case和data文件，然后可以通過(guò)后處理過(guò)程來(lái)顯示和查看計(jì)算結(jié)果，我們截取 x=1000的平面來(lái)顯示出流場(chǎng)的溫度、速度等數(shù)據(jù)的矢量圖、等值線圖,直觀的表示出計(jì)算結(jié)果。(ft/s)1 9»*0C1加M11 dWM11 S5sOO1.1血0013護(hù)TOflflOSIUO1*-D1II7.12fr

17、J1 Gias-ai f叭ZSTfQI1 aaOk-A； 0 0U»*D0圖4-5 T= 1000平層的空T逹度分布的尋恒線圖伍f酮4-5 it Lou Uy Contour cf i- 1000(t/p)1«5e*O0tfieawoo 159««O0 148e*O0 1如00 1E00 1R8 1 ilrOO0 20915«M)1 4«5e-01 3X1 3IO<hC1 1 erfrci94Z22Hft-C3冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400立方米/秒時(shí)的熱場(chǎng)分布彳一6 1= 1000平面的空氣速度分布的矢®5（*/s）F

18、ig.4-6 Air velocity vector of x=IOOO (n/s) 96*4022 33*024-7 x-lOOO平面的空氣S度分布的等值fS圖（K）Fig47 Air t<?operaturc contour of x«1000(lO冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400立方米/秒的室內(nèi)流場(chǎng)?？梢阅M出該速度下的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng): ir/s )燉*1 E>>+4?專(zhuān)沁1 It SMI仔門(mén) f +叩點(diǎn)I3 312W>nit£3frd：l 嘟T 4如心I 0013亍總、i r :揖、"W誠(chéng)、 *和 i' '呻 、2 V:二iLCKT<K一f f2、7、冷送風(fēng)與熱排風(fēng)均為0.400立方米/秒的室內(nèi)流場(chǎng)。'艸h