基于CFD仿真的冷卻空調系統氣流組織數值模擬

董 凡,成永剛

(西安交通大學網絡信息中心,陜西 西安 710049)

1 引言

冷卻空調系統設計不合理,會導致制冷設備出現局部過熱的現象[1]。為了保證冷卻空調系統運行過程中的溫度,需要調低整個空調機房的溫度,導致大部分的空調系統在運行過程中并未達到滿負荷運行的狀態,不僅會造成大量的能源浪費,而且無法徹底解決空調局部過熱的現象[2]。在設計冷卻空調系統的氣流組織時,如果缺乏合理性,就會升高冷卻空調系統的能耗,因此對冷卻空調系統氣流組織進行數值模擬研究,有效處理空調設備產生的熱量,從而提高冷卻空調系統在運行中的制冷效率,在減少冷卻空調能耗的前提下,設置冷卻空調系統數據中心,保證冷卻空調系統在運行中的安全性和穩定性[3]。

周鑫濤等人[4]提出了一種基于流體力學的氣流組織模擬方法,在不同氣流組織形式下,采集了深海載人平臺氣流組織數據,分析出空氣中溫度的分布規律,結果表明,在深海載人平臺密閉艙室的熱源氣流部分不均勻的情況下,外側的送風氣流組織不能滿足密閉艙室的氣流需求,通過更改氣流組的輸送方式,滿足氣流組織要求。趙福云等人[5]為了分析工作臺送風口對電子潔凈室內空氣環境的影響,結合流體力學的計算方法,對iso6模式下的電子潔凈室空氣環境數值進行模擬,根據送風口的個數以及所處位置的不同,分析工作臺送風口對電子潔凈室內空氣環境的影響。實驗結果表明,處于電子潔凈室正前方的工作臺送風口可以有效抑制熱氣流的影響,工作臺送風口可以根據電子潔凈室的位置作出相應的位置調整,送風口應設置在電子潔凈室正交正對的位置,方可保證送風口的風速,有助于電子潔凈室的空氣環境的流動性,通過數值模擬的結果,可以為電子潔凈室的送風口的位置設置提供合理化建議。

基于以上研究背景,本文利用CFD仿真軟件對冷卻空調系統的氣流組織進行數值模型研究,從而確定影響冷卻空調系統氣流組織的因素。

2 冷卻空調系統氣流組織數值模擬

2.1 控制方程

控制方程包括質量守恒、動量守恒和能量守恒[6],在冷卻空調系統氣流組織的數值模擬中,可以解決氣流組織的流動和傳熱問題[7]。本文以數據中心冷卻空調系統為研究對象,假設數據中心的密封性良好[8],那么控制方程為:

質量守恒

(1)

其中,vx、vy和vz分別表示速度矢量在x、y和z方向的分量。

動量守恒

(2)

其中,ρ表示空氣的密度,p表示空氣中的大氣壓強,?表示運動黏度。

能量守恒

(3)

其中,T表示熱力學溫度,λ表示導熱系數,Sh表示內熱源,Φ表示耗散函數。

根據質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程的表達式,得到了冷卻空調系統氣流組織數值模擬的控制方程。

2.2 構建冷卻空調系統模型

將CFD仿真軟件應用到冷卻空調系統模型的構建中時,分為多孔介質模型和多孔階躍模型[9],相比于多孔介質模型而言,多孔階躍模型的結構更加簡單,在計算過程中也更加穩定[10]。多孔地板通常比較薄,本文利用多孔階躍模型進行建模[11],那么地板的壓力損失為

Δp=K(0.5ρv2)

(4)

式中,K表示流動阻力系數,表示v地板附近的速度。

根據式(4)的結果,計算地板的流動阻力,公式為

(5)

其中,F表示地板的孔隙率。

以上根據地板的壓力損失,構建冷卻空調系統模型,接下來利用CFD仿真軟件對冷卻空調系統氣流組織進行數值模擬。

2.3 CFD仿真

利用CFD仿真軟件對冷卻空調系統氣流組織進行數值模擬時,將仿真過程劃分為三個階段:先對冷卻空調系統模型進行處理[12],轉換成CFD仿真軟件可以識別的數據模型,再利用求解器讀取前處理的氣流組織數據[13],經過計算之后,將氣流組織數據輸出,結合后處理軟件處理求解器輸出的氣流組織數據[14],并通過繪制圖表展示可視化結果,本文利用CFD仿真軟件建立數據中心冷卻空調系統模型[15],并將其導入到前處理器中,根據氣流組織數據的分析,輸出結果。

3 結果分析

3.1 架空地板高度對冷卻空調系統氣流組織的影響

當冷卻空調系統采用地板下送風形式時,架空地板高度影響冷卻空調機房的層高,另一方面,架空地板高度影響冷卻空調系統的送風速度以及送風的均勻性,從而影響到冷卻空調的整體制冷效果。因此,本文對不同架空地板高度的氣流組織數值進行模擬,通過選取200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm五種不同的架空地板高度,分析架空地板高度對冷卻空調氣流組織數值的影響。

3.1.1 風量分析

風量大小直接反映冷卻空調系統的氣流組織到達機房各個區域的位置。根據模擬結果,統計不同架空地板高度情況下的出風量情況,表1為不同架空地板高度下風量大小分布的區間。

表1 地板格柵出風量的分布情況

根據表1的風量分布區間,繪制出冷卻空調系統氣流組織區間圖,如圖1所示。

圖1 出風量分布區間圖

從圖1中可以看出,當架空地板高度在200mm到1000mm之間時,冷卻空調系統氣流組織的風量大小區間呈縮短趨勢。

3.1.2 壓力場分析

架空地板高度下的壓力場會影響冷卻空調系統氣流組織分布的均勻性,進而影響到冷卻空調的制冷效果。綜上所述風量對冷卻空調系統氣流組織數值的影響,指出地板間隙的風量的大小對空調內側區域的影響,之所以會出現這種現象因為架空地板高度下的壓力場分布不均,受架空地板高度的影響,其壓力場的分布規律也不一樣。

分別對地板間隙的靜壓力與架空地板高度下的壓力場進行分析,根據模擬結果,不同架空地板高度下的地板間隙靜壓力與壓力場分布區間的統計情況如表2所示。

表2 地板格柵與平面的靜壓分布情況

根據表2的風量分布區間,繪制了冷卻空調系統氣流組織的壓力場分布區間圖,如圖2所示。

圖2 靜壓分布區間圖

從圖2可以看出,當架空地板高度在200mm到1000mm時,靜壓大小呈縮短趨勢,說明隨著架空地板的高度升高,地板間隙的靜壓力與架空地板高度氣流組織的壓力場的差異越來越小。

3.1.3 溫度場分析

在完成架空地板高度的出風量與壓力場的分析后,可以看出架空地板高度對冷卻空調機房系統的氣流組織具有一定的影響作用。然而,架空地板高度的出風量和壓力場對冷卻空調系統氣流組織數值的影響都會在制冷溫度上反映出來,只有保證冷卻空調系統的機房溫度適宜,才能保證冷卻空調系統的正常運行,因此通過對溫度場分析,可以獲取如何改善冷卻空調系統氣流組織的方法。為了分析不同的架空地板高度下的溫度場情況,分別截取不同高度下的溫度分布,并將五個不同的架空地板高度下的最高溫度值和冷卻空調系統機房的最高溫度進行統計,如表3所示。

根據表3得出不同架空地板高度下,冷卻空調系統氣流組織的最高溫度變化規律,如圖3所示。

由表3可以看出,升高架空地板的高度,會降低數據中心的溫度。當架空地板高度為200mm時,冷卻空調系統機房會出現氣流組織分布不均勻的情況,此時的最高溫度為44℃。當架空地板的高度為600mm時,冷卻空調系統機房的溫度會有所下降,因此可以總結出,隨著地板架空高度的逐漸升高,冷卻空調機房的溫度會隨之下降,此時的冷卻空調系統的冷卻效果會有所提高。

3.2 地板送風格柵開孔率對冷卻空調系統氣流組織的影響

冷卻空調系統的冷卻目標是保證冷卻空調系統的入口溫度不超過最高入口的溫度。冷卻空調系統機房的溫度過高,是因為地板送風格柵的冷氣不足造成的,最終導致熱空氣倒流,形成局部溫度升高的現象,最終對冷卻空調系統的制冷效果產生影響。因此,對地板送風格柵的開孔率進行優化,是保證冷卻空調系統冷卻效率的重要環節。本文分別將地板送風格柵的開孔率設置為20%,35%,50%及組合布置形式,并分別進行4組試驗以驗證地板送風格柵開孔率對冷卻空調系統氣流組織的影響。

3.2.1 風量分析

風量大小可以直接反映冷卻空調系統氣流組織數值的大小,根據模擬的結果來看,通過統計地板送風格柵的出風量,表4表示不同地板送風格柵開孔率影響下的風量大小分布情況。

表4 地板格柵出風量的分布情況

根據表4的風量分布區間,繪制了冷卻空調系統氣流組織的區間圖,如圖4所示。

圖4 出風量分布區間圖

由圖4可以看出,地板送風格柵的開孔率在20%到50%區間時,風量呈逐漸增大的趨勢,說明隨著地板送風格柵開孔率減少,冷卻空調系統氣流組織的出風量逐漸減小。

3.2.2 壓力場分析

分析地板送風格柵與冷卻空調系統氣流組織壓力場,根據模擬結果,得到不同地板送風格柵開孔率與壓力場的關系,如表5表示。

表5 地板格柵與平面的靜壓分布情況

從表5可以看出壓力場的分布區間,并繪制區間圖,如圖5所示。

圖5 靜壓分布區間圖

由圖5可以看出,當地板送風格柵開孔率為20%時,冷卻空調系統氣流組織的壓力場值較大,隨著地板送風格柵開孔率的增大,壓力場的值隨之減小,在組合布置形式下的靜壓力所對應的板格柵開孔率為20%-35%,滿足冷卻空調系統的送風量要求。

3.2.3 溫度場分析

為了分析不同地板送風格柵開孔率下,冷卻空調系統氣流組織的溫度場情況,將各個截面的最高溫度值與冷卻空調機房的最高溫度值進行統計,結果如表6所示。

表6 冷卻空調系統氣流組織在不同界面的最高溫度分布情況

根據表6的結果,繪制不同地板送風格柵開孔率下溫度場的變化情況,如圖6所示。

圖6 溫度變化折線圖

從表6和圖6可以看出,當地板送風格柵的開孔率控制在20%-35%范圍內時,隨著地板送風格柵的開孔率的增加,溫度場的溫度明顯下降,說明冷卻空調系統的制冷效率明顯提高,冷卻效果良好,在此區間范圍內可以滿足模擬要求。

4 結束語

本文提出了基于CFD仿真的冷卻空調系統氣流組織數值模擬研究,發現架空地板高度和地板送風格柵開孔率會影響冷卻空調系統氣流組織的冷卻效果。但是本文的研究還存在很多不足,在今后的研究中,希望可以考慮到封閉冷/熱通道對冷卻空調系統氣流組織的影響,進一步改善冷卻空調系統氣流組織的冷卻效果。