随着信息产业技术的快速发展,数据中心规模越来越大,电子元件热功耗逐渐增加,传统的空气冷却方式已经很难适应服务器的冷却需求。浸没冷却技术凭借其散热能力高效,安全节能、防尘降噪等优点受到了人们的青睐。其中,单相浸没式液冷将服务器的电子元件浸泡液冷机柜中,机柜中充满了一种特殊的冷却介质,通过冷却液的循环流动将热量传递出去。
CFD(计算流体力学)模拟是当前流动、传热领域进行原始设计与方案校核的重要数学-物理方法。因此,可借助CFD模拟对数据中心服务器的单相浸没式液冷进行方案研究。尤其是浸没液冷机柜内的流场和温度场,对于改善液冷机柜内的流动,提高单相浸没式液冷的冷却效率具有重要意义。
下面以某2U服务器的单相浸没液冷设计为案例,阐述CFD数值模拟技术在浸没液冷技术的应用。
图1所示分别为实际服务器设备,原始热管理方式为风冷,配备4台散热风扇进行冷却。图2为实际设备的三维模型图,在考虑了“不影响整体物理场趋势”、“浸没液冷”、“提升计算效率”等因素基础上进行适当简化。
依照CFD原理,对服务器及其所在的空间区域进行网格划分,如图3、图4所示,形成由众多网格构成的计算区域,每个网格作为计算单元,依照物理原理(质量、能量、动量守恒)会形成一个包含我们所关注参数(流速、温度等)的方程组。在此基础上,需要向三维模型及网格方程组赋值“固体材料的属性”、“流体工质的属性与流动形态”、“热耗功率”、“方程组形式转换”、“数学求解方法设定”等要素。下一步,就可以利用数值模拟手段对计算域进行求解。
求解完成后,计算域内可读取所需结果,包括流动速度、大致流动状态、各个位置温度等。以图5、图6结果为例,两图展示了不同冷却液流量下的流动图与温度图。通过此类对比,可以判断方案的可行性、优化方向的评估、最优解的判断等。另外,还可以通过并行计算、参数化运行、编程计算等数学方法加快设计方案的效率、提升最终产品的品质。
CFD模拟技术价值:
用计算流体力学技术,对数据中心系统进行建模,并对求解域进行网格化,然后求解质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本方程的数值形式、利用合理的时间格式,计算出稳态或瞬态数据中心内的温度场和速度场。而且数据中心的的相关CFD数值计算方法一般不涉及多相流、大涡旋、高速流等一些CFD领域的难点问题,求解算法已比较成熟,且能达到较高的准确度。通过CFD技术预测不同负荷下浸没液冷性能,具有比传统假负载测试更方便、更快速的优点。
总之,CFD数值模拟在数据中心浸没液冷技术领域具有极高的利用价值与发展前景,必将助力数据中心浸没液冷技术得到长远发展、长足进步。



作者:
金石易服NGDC创新中心
液冷技术专家 栾义军