通信机房室内气流组织数值论文

通信机房室内气流组织的数值研究[摘要] 采用标准k-ε湍流模型对某移动通信机房建立热环境

模型，对不同气流组织形式下室内速度场与温度场进行了数值模拟，结果表明异侧下送上排方式能够获得较好的气流组织分布，同时能够较好地满足通信机房的理想工况，利于延长通信机房设备的使用寿命。该研究对优化通信机房的气流组织分布及通信机房节能具有参考价值。

[关键词] 数值模拟湍流模型气流组织节能

0.引言

近年来，随着我国移动通信事业的迅猛发展，移动通信机房的数量也与日俱增，特别是随着第三代移动通信网(3g)建设的启动，我国还将建设数以万计的3g机房。机房的电耗是通信行业主要耗能，而空调能耗一般占通信机房能耗的20％～45％，有的甚至高达60％以上。因此，在保证通信设备正常运行的前提下，为了能够达到节能的目的，采用全新风系统排除室内设备发热量，减少空调运行时间[1-2]。

目前新风节能技术在国内通信机房中的应用仍处在探索阶段，如何充分发挥新风技术的节能效果与其气流组织的形式有密切关系。本文以某移动机房为研究对象，在不改变房间送、排风口的尺寸、数量和送风口的送风参数，也不改变房间内任何设置的情况下，仅通过改变气流组织形式，模拟得出房间内速度场、温度场分布，从而分析、选择最佳气流组织形式。

1.计算模型和数值方法

1.1物理模型的简化及建立

根据某移动机房的实际建筑结构尺寸对其进行简化，模型长4.2m，宽3.8m，高3m。房间内有四个机柜，位于房间中部，机柜内均装有六个载频，其他设备模型详见表1。

1.2 数学模型

为了简化问题，作如下假设：

（1）机房空气为不可压缩流体且符合boussinesq假设；

（2）流动为稳态紊流，假设流场具有高紊流re数，流体的紊流粘性具有各向同性；

（3）忽略固体壁面间的热辐射，机房内空气为辐射透明介质；

（4）气流为低速不可压缩流动，可忽略由流体粘性力作功所引起的耗散热；

（5）不考虑漏风的影响，认为机房内气密性良好。

控制方程组包含标准k-ε方程，连续性方程、动量方程以及能量方程[3-4]，选用二阶迎风差分方法进行离散，采用standard格式进行压力插值，使用simple算法进行数值计算[5]。

表1 各模型详表

名称尺寸（cm）数量

长（x方向）宽（z方向）高（y方向）

房间420 370 300 1

机柜62 63 40.5 4

蓄电池30 65 65 1

空调50 168.5 24.5 1

传输设备 70 140 60 1

载频 6 36 36 24

内风机62 40.5 4

进风机13 73 1

排风机70 30 1

1.3边界条件

载频是通信机房内主要的发热设备，采用新风系统的作用是为了分担空调负荷，降低载频周围的温度，确保机房能够正常使用，因此本文设定空调关闭，忽略蓄电池、传输设备、空调等的发热量，同时建模时假设其为空体。

主要边界类型及条件如下：

( 1 )将机房外墙、屋顶、室内地面定义为固体壁面。机房无外窗，故无需考虑太阳透射。

( 2 )入口边界条件为速度入口，新风机的送风量q=1200m3/h，计算得出送风口的速度v=3.51m/s，相对压力为0，温度t=20℃。

( 3 )每个机柜下方均有一个内风扇，风速为0.04m/s，为正y 方向。

( 4 )排风口为自由出流。

( 5 )机房无人值守，因此在一般情况下无需考虑人体和照明光的散热。

( 6 )内热源：每个载频热量q=268.5w。

1.4网格的生成

网格的质量直接决定计算的精度和结果，本文对该机房的空间离散采用六面体网格，并满足以下条件：网格单元最大x、y、z 尺寸为0.14m×0.1m×0.13m；对机房内温度梯度、速度梯度较大的地方（如：送排风口、机柜内风机、载频）进行网格局部加密细化。

2.计算结果与分析

本文研究的机房属于中小型电信机房，室内要求的温度条件为268k~318k[6]。对其速度场和温度场进行数值模拟，并选取三个具有代表性的界面对模拟结果进行说明（a：异侧下送上排；b：异侧上送下排；c：同侧下送上排；d：同侧上送下排）。第一个截面是距机柜z方向0.1m处，第二个截面是横向位于上下机柜中间，第三个截面是纵向位于左右机柜中间，坐标分别为z=1.55m，y=0.85m，x=2.07m。

图1是进风口沿机房长度方向纵向断面的速度分布图。送风气流不直接进入机柜，与室内空气有较长的混掺距离（即有一定的贴附长度），在混掺过程中受浮力的影响射流速度逐渐减小。在相同的送风速度(v=3.51 m/s)下，不同的气流组织形式，其截面上速度变化有所不同。由图可见，上送方式由于送风口的射流与机柜内风机卷吸的共同作用，速度向右上方呈递减趋势，并且低温新风由于密度大易下沉导致上送方式速度衰减比较快。下送方式送风口的射流作用使机房底部速度较大，其中c方式由于送、排风口在同侧导

致机房右上方区域速度较低，流场分布不均匀。由速度场分布图可见，异侧下送上排方式房间内的气流组织分布比较均。

图2是机房长度方向横向温度分布图。四种送风方式下机房内温度均在268k~318k范围内，满足机房工作条件，但仍存在一定的区别。由于载频发热导致其周围温度较高，其中图a tmax=306.63k，图b tmax=308.25k，图 c tmax=309.27k，图d tmax=309.60k。由图2可见，同种送风方式，异侧比同侧低温区域大，表明异侧送风可以加速室内空气流动，利于降低室内温度。其中异侧下送上排方式平均温度低，空间温度分布比较均匀。

(a) (b) (c)(d)

图1 z=1.55m处四种气流组织形式速度分布(m/s)

(a)(b) (c) (d)

图2 y=0.85m处温度分布(k)

(a) (b) (c) (d)

图3 x=2.07m处温度分布(k)

图3是机房宽度方向纵向温度分布图。由图4清晰可见，上送方式在机柜上方形成局部高温度区域，造成这种现象的原因有两个方面：一方面，冷风在进入房间后，由于密度大开始下沉，下沉过程中与周围空气进行混合，到达此截面后温度有所升高；另一方面，在机柜内风机卷吸作用下，热空气向上流动。下送方式下部机柜内风机将低温新风卷吸到机柜内，利于减低机柜内温度，同时上部机柜内风机卷吸得到的空气温度也有所降低，所以下送方式在