3D仿真机房建模

3Ｄ仿真机房建模

摘要

随着网络数据中心规模不断地发展壮大，数据中心能源的消耗也在不断的加剧。为了更好地集中管理数据中心资源，和提供更高效的服务，建立绿色数据中心，我们对机房的散热和能耗，任务量分配及合理制冷的问题，做了如下简要分析探究。

首先，针对问题一，本文利用Matlab 软件对中心机房的热分布及流场进行仿真模拟，描绘出了附件1中相关数据的分布图，并求解得到该测试机放室内最高温度大约为55o C ，其位置坐标为(7.2,5.5,2.75)。

同时，对于问题二，本文采用微分方程和流体动力学模型，对中心机房内的温度场、密度场、风力场等进行分析，利用热传导和热流方程综合考虑每台机器的任务量和不同位置对温度的影响，得到一个热分布方程：

()/y x z x y z Q Q Q

C Tdv Q dx Q dy Q dz r f T Q R x y z

ρβλ∂∂∂=+

+++++++∂∂∂ 通过这个方程，我们可以很方便知道机房内的任意一点温度。同时，我们用附件2

中的部分数据对我们的模型进行了检验，平均误差在10%以内。

紧接着，对于问题三，本文建立了任务分配模型。我们运用Matlab 软件拟合出附件2中测试机房内的不同任务总量下，室内平均温度与总务量关系，即

20.2817 1.57819.45aver T t t =-++

并求出室内最高温度近似为室内平均温度的1.6倍，然后根据问题一中的热分布图，我们合理地给出4个机柜群对室内最高温度的贡献率。通过使最高温度最小化来制定最优分配任务方案，建立微分方程模型，给出了分配任务的方案。

最后，针对问题四，本文建立了我们将机房多余产生的热量近似于制冷量，即sum cold Q Q ≈。在此原理建立了入口风速与入口温度的关系，从而可以达到控制空调的送风速度和送风温度，使机房的温度趋于平衡，满足了机房设计C 级标准低于35℃。

关键词： 微分方程 流体动力学 热流方程

由于高密度计算、多任务计算的需要，越来越多的高性能数据中心或互联网中心（DC、IDC）正逐渐建成。在现代的数据中心内，由于刀片服务器成本与性价比高，体积小而被广泛使用。由于自身能源与冷却条件限制，这类大规模的数据中心或许每年需要花费数百万美元，主要用于计算设备及系统冷却所需的能源费用。因此有必要提高数据中心设备的能效，极大化数据中心的能源利用率及计算能力。

本文中已给出一个测试案例，并需要我们利用题中已给条件，解决以下问题（1）根据附件1的数据，绘出冷、热通道的热分布及流场分布图，并找出室内最高温度位置。

（2）建立描述该问题热分布的数学模型及算法，并与测试案例进行比较。

（3）如果定义该机房的总体任务量为1，需要根据我们的模型及附件1的流场数据，确定服务器实际任务量为0.8及0.5的最优任务分配方案，并给出室内最高温度。（4）如果按照《电子信息系统机房设计规范》（附件3）C级要求控制机房温度，讨论服务器设计任务量一定条件下，如何控制空调的送风速度或送风温度（可以通过送风槽的出口风速与温度来描述）。

2、背景介绍

社交网站、网上银行、话费详单查询、视频监控、企业人事管理系统、企业ERP……我们生活和工作所遇到的种种电子化应用都和现代数据中心有关，复杂多变的应用和庞大的数据量使得现代数据中心在电力和能源方面的消耗增长显着，严重的电力不足，使得数据中心机房凸显能耗危机，如同一场风暴的酝酿，绿色数据中心的概念已经从“起点”升至“沸点”。

绿色数据中心体现着：高效、可靠、安全、节能等四大主要方面，而目前很多机房由于各服务器任务分配不当以及供冷散热的不合理，造成机房局部温度过高，使得机房运转速率变慢，效率变低，并且引发安全隐患及能源浪费等一系列问题。所以加强数据中心的设计和管理变得尤为重要。

目前绿色数据中心的设计在我国处于刚起步阶段，相关的工作很少，资源缺乏。作为绿色数据中心设计的一个重要环节是利用源自服务器及环境温度的数据，刻画数据中心的热循环过程。机房内热环境分析是绿色机房设计的主要步骤之一。为了保证机房内设备健康运行，数据中心制冷系统必须根据机房内热点的温度（室内最高温度）向机房送配冷气。而合理地给服务器分配工作任务，能够降低机房内热点的温度，达到节能目的。所以建立数据中心的热分布方程算法及制定服务器的任务量分配方案，对我国绿色数据中心的设计和管理有重大的意义。

对于“绿色数据中心”的一些要求，结合题中条件，我们对题中四道问题做一下分析：

在绘出冷热通道的热分布和流场分布图中，我们知道热分布实质是温度分布的表现，流场分布是气流的流动表现，所以我们通过利用题中已给的2、3通道数据结合二、三通道的位置坐标运用MATLAB，绘出冷热通道的热分布图，并找出温度最高点的位置坐标；而在流场分布中，我们通过分析气流运动的不同方向和气流速度大小绘出冷热通道在不同平面中的流场分布图。

在热分布模型中，我们通过分析可知，影响温度的因素有空间位置和各个服务器的任务量。但是如果直接从空间位置和任务量着手较困难，于是我们引进密度场、风力场，浮力场来对温度进行宏观分析。同时我们将每个机柜看作一个热源，每一点的空间温度进行微元化。通过热源的产热来与任务量相联系，魏元体积与空间坐标相联系。并且通过场的叠加来与产热相平衡从而得到温度关于空间位置和任务量的函数关系，并用求出该机房的热分布方程。

在任务分配中，我们建立任务分配模型，由于采样点在空间中均匀分布，我们首先通过题中附件2所给数据，将不同任务量下的机房内采样点温度求平均，得到机房内采样点的温度均值。然后我们利用均值温度和采样点任务量拟合出温度与任务量的关系方程。并且我们通过观察最高均值温度，比较最高均值温度与均值温度的关系，给出不同机柜对最高温度的贡献率。从而通过使最高均值温度最小化从而制定不同的任务分配方案。

送风的速度和送风的温度是用来调节室内温度的，使得室内温度满足《电子信息系统机房设计规范》（附件3）C级要求控制机房温度。而要想及控制室内温度又符合绿色机房概念，我们通过控制室内总的散热量小于或等于制冷量来实现，而制冷量与送风的速度、时间、以及送风的温度有关，从而通过建立相应的方程等式来控制送风的速度和送风温度。

4、模型假设

●假设整个机房空间是密闭的，没有工作人员进出，机房门也没有被打开；

●假设外墙及服务器散热面传热均匀，按照稳态传热处理，室内各传热表面之

间忽视辐射影响。

●假设照明设备只有在有人停留或进入机房时才使用，所以人体散热和照明散

散热相对很小，对机房整体温度不会有很大影响，可以忽略不计；

●假设热区内空气满足牛顿内摩擦定律，即为牛顿流体；

●热区内空气流动满足稳态湍流；