數(shù)據(jù)機柜熱設(shè)計優(yōu)化分析

2017-06-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

馬燕

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司,北京 100070)

摘要:以實驗室某數(shù)據(jù)機柜為基礎(chǔ),利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對機柜內(nèi)風(fēng)機失效的不同工況進行了熱模擬計算,得到了不同工況下機柜的溫度、速度分布;通過比較,可以看出,當工作站、服務(wù)器、交換機的風(fēng)機正常工作時,機柜自帶的風(fēng)機開啟與否,不影響機柜內(nèi)器件的溫度;當機柜自帶的風(fēng)機(風(fēng)機關(guān)閉)與工作站自帶的風(fēng)機均失效時,機柜內(nèi)的溫度會明顯升高,此時如果開啟機柜自帶的風(fēng)機,機柜內(nèi)的溫度會隨之降低;當機柜內(nèi)所有的風(fēng)機均失效,此時機柜內(nèi)器件的溫度遠遠超過允許的溫度限制,機柜系統(tǒng)將停止工作。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)機柜;風(fēng)機失效;熱設(shè)計優(yōu)化

Abstract: On the basis of a data cabinet, the paper introduces the thermal simulation calculation under different working conditions in case of any failure of funs inside the cabinet by using ANSYS Icepak thermal analysis software, to obtain the temperature and velocity distribution in different conditions. By comparison, the conclusion is that when the fans of workstation, server, exchanger are normal operation, the temperature of devices inside the cabinet will not be affected whether the cabinet's own fan is open or not; when both the cabinet's own fan (the fan shut down) and the fan of workstation fail, the temperature inside the cabinet will markedly increase, at the time, if open the cabinet's own fan, the temperature inside the cabinet will decrease accordingly; when all the fans of the cabinet are failure, the temperature of devices in the cabinet will be far higher than allowed temperature limitation and the cabinet system will stop working.

Keywords: data cabinet; fan failure; thermal design optimization

DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2017.02.020

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)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法可以有效預(yù)測模擬數(shù)據(jù)機柜內(nèi)的速度、壓力及溫度分布;利用ANSYS Icepak熱分析軟件分別對機柜內(nèi)風(fēng)機失效的不同工況進行了熱模擬計算,得到了不同工況下機柜的溫度、速度分布。

2 物理模型及方案說明

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

數(shù)據(jù)機柜熱設(shè)計優(yōu)化分析ansys分析圖片1

對柜體內(nèi)的工作站進行編號,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。

由于機柜內(nèi)服務(wù)器和交換機的真實模型比較復(fù)雜,為了減少CFD模擬的計算量,使用ANSYS Icepak的參數(shù)化計算功能,計算得到單個真實服務(wù)器、交換機的系統(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,建立其詳細的熱模型。

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

本文主要是比較機柜內(nèi)部各個風(fēng)機是否失效,對機柜系統(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:機柜系統(tǒng)內(nèi)各個風(fēng)機均正常工作;

工況2:機柜自帶的風(fēng)機失效(或風(fēng)機關(guān)閉);

工況3:工作站自帶的風(fēng)機和機柜自帶的風(fēng)機均失效;

工況4:工作站自帶的風(fēng)機失效;

工況5:機柜系統(tǒng)內(nèi)所有的風(fēng)機均失效。

3 計算結(jié)果比較

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

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

此工況下存在明顯的氣流短路現(xiàn)象。在機柜頂部風(fēng)機造成的負壓作用下,部分冷空氣直接從前后殼體的散熱孔流入機柜,然后直接被機柜頂部的風(fēng)機直接排出,頂部風(fēng)機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)器及交換機排出的熱空氣風(fēng)機的負壓作用下,直接被頂部風(fēng)機排出機柜。

數(shù)據(jù)機柜熱設(shè)計優(yōu)化分析ansys分析圖片2

柜體的最高溫度出現(xiàn)在服務(wù)器1正對的機柜后側(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)機的負壓作用下,重新流入機柜內(nèi),最后從機柜頂部排出。

機柜內(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?℃。

數(shù)據(jù)機柜熱設(shè)計優(yōu)化分析ansys分析圖片3

3.2 工況2:機柜自帶的風(fēng)機失效(或風(fēng)機關(guān)閉)

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

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、交換機排出的熱空氣傾斜向上流動,最后從機柜后側(cè)散熱孔排出機柜。

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

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

由于機柜頂部風(fēng)機失效,機柜內(nèi)沒有氣流短路現(xiàn)象。由于工作站內(nèi)風(fēng)機失效,工作站僅僅依靠自然冷卻進行散熱,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。由于機柜頂部風(fēng)機不工作,機柜的最高溫度出現(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)機失效,工作站僅僅依靠自然冷卻進行散熱,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)機失效

與工況3相比,由于此時機柜頂部風(fēng)機工作,機柜頂部區(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)。

氣流從機柜前后殼體流入機柜,最后從機柜頂部流出。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,當服務(wù)器的風(fēng)機失效時,開啟機柜頂部的風(fēng)機,會進一步降低工作站內(nèi)器件的溫度分布。

數(shù)據(jù)機柜熱設(shè)計優(yōu)化分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片6

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

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

4 結(jié)論

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

2)當機柜自帶的風(fēng)機(風(fēng)機關(guān)閉)與工作站自帶的風(fēng)機均失效時,機柜內(nèi)的最高溫度為75.33?℃,比風(fēng)機未失效時,溫度升高了約22?℃;如果重新開啟機柜自帶的風(fēng)機,機柜內(nèi)的最高溫度為62.88℃,最高溫度降低了約12.5?℃,此工況下,開啟機柜頂部的風(fēng)機,會進一步降低工作站內(nèi)器件的溫度分布。

3)當機柜內(nèi)所有的風(fēng)機均失效,此時機柜的最高溫度高達428?℃(理論上),機柜系統(tǒng)早已停止工作。

(收稿日期:2016-06-06)

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