参赛学校：黑龙江工程学院
封二。答卷编号（参赛学校填写）：
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3ｄ**机房建模。
摘要。随着绿色数据中心的设计在我国逐步的兴起，在保障制冷效果的前提下，我们现在更加关注能源的合理利用。机房内热环境分析是绿色数据中心设计的主要步骤之一，本文主要对热分布、流场分布、合理分配任务、控制空调的送风速度和送风温度等问题进行研究。
对于问题1描绘流场分布及温度场分布的软件有很多，如matlab、fluent、phoenics，因matlab具有简单易用的程序语言、强大的科学计算数据处理能力及直观出色的图形处理功能，便于推广和普及，因此我们采用matlab软件进行绘图，根据所给数据的特性我们用二维三次多项式插值的方法来绘图，用matlab图像取点的方法找到了在热通道的通道三内，距空调距离为7.2m、高度为2.25m点处的温度最高，最高温度为54.
01，并从理论上分析了结果的合理性。
对于问题2我们通过分析流体的连续性方程、动量方程、能量方程、紊流能量方程（方程）及紊流能量耗散方程（），通过这些方程的相关关系建立出描绘该问题热分布的流体温度分布模型，选用******算法对模型进行求解，并将测试案例的数据代入本模型进行比较，计算结果与实测数据偏差为1%，偏差在合理范围内，从而证明了本模型是合理的。
对于问题3我们联系附件并通过对模型进行分析和计算，我们确定了每个机柜群的任务量，根据第一问的结果分析，我们确定了每个机柜群内部每个机柜的任务量，从而得到了最优任务分配方案。根据该方案联系附件并通过对模型进行分析和计算，用得到的数据作出了不同高度下的温度关于x，y的伪彩色图，分析了温度变化的规律，验证了分配方案的合理性，当任务量为0.8时，最高温度为27，任务量为0.
5时，最高温度为23。
对于问题4我们根据《电子信息系统机房设计规范》（附件3）c级要求控制机房的温度在18-28 范围内，控制送风口温度在12-17 ，送风口风速在0.6m/s-1.2m/s。
我们对任务量为0.5和0.8时的机房服务器进行分别讨论，根据问题三所得出的结论，使机房各组机柜在最优的任务量分配方案下运行，并在不考虑机房内隐热的影响下，通过正交实验的方法，采用机房空间内环境模拟，得出任务量为0.
5时，空调的送风速度和送风温度分别为0.8m/s和13.8，任务量为0.
8时，空调的送风速度和送风温度分别为1.0m/s，12.5。
关键词：二维三次多项式插值流体温度分布模型 ****** 正交实验法。
一、问题重述。
由于数据中心高密度、多任务的计算需求，刀片服务器凭借着性价比高，体积小而被广泛的使用。但是由于自身能源与冷却条件的限制，每年需要花大量的成本对它进行维护，因此大约在上世纪90年代后期，ibm、hp等公司提出了绿色数据中心的概念，受到了各国的广泛重视。
绿色数据中心的主要目标包括实现最佳pue即降低能耗提高能源的利用率、实现动态智能制冷、精确的送配风系统、优化的场地设计和电气系统设计、符合全球领先环保节能标准leed要求、采用不同的散热方式，实现对不同负载的有效支持和最佳的系统部署。
为保证服务器的健康工作，通常需要hvac降低送风温度或加大送风量，但造成耗能增加，现在依据根据绿色数据中心设计理念，选择合理的送风温度和送分量，使服务器的健康运行，尽量避免局部地区过热。
已知机房的基础设施分布状态和各基础设施的几何尺寸，现按绿色数据中心设计理念解决以下问题：
1） 通过附件1所给的数据，绘制出冷热通道的热分布及流场分布，并找出室内最高温度所在的位置。
2） 分析气体的运动状态及温度的传播方式，建立出热分布模型，选择出合适的算法并通过所给数据验证模型的准确性。
3） 定义该机房的总体任务量为1，根据所建立的模型及附件2的数据，确定服务器任务量为0.8及0.5时的最优任务分配方案，并找出室内最高温度的所在位置。
4） 依据规范c级要求，在满足服务器设计任务量一定的条件下，合理的控制空调送风槽的送风温度和送风速度。
二．问题分析。
机房的机柜群采用面对面、背靠背式的空间分布，地下冷风槽通过中孔板将冷空气送入机柜进风口，机柜吸收冷空气并把热空气排向热通道，热空气沿通道向上运动，到达机柜上方后水平运动，最后进入空调的回风孔，经过空调的水冷系统冷却后进入地下冷风槽继续循环制冷。
对于问题一，依据机房内的气体流动形式及温度的分布特性，我们分析出通道。
一、通道。三、通道五温度场和流场的分布是一致的，而通道二和通道四的温度场和流场是一致的，故我们只需研究通道二和通道三的温度场和流场分布即可代替整个冷通道和热通道的温度场和流场分布。由于所给的数据量很少，数据精确度较高，我们用matlab的二维三次多项式插值的方法绘图，然后利用matlab在图像上取点，找出了室内最高温度所在位置，并对结果进行分析。
对于问题二研究空间热分布的分布规律，依据机房的基础设施分布状态和各基础设施的几何尺寸，应先建立空间物理模型，在通过查找流体力学的有关相关知识，建立数学模型，并找出符合可压缩流体的算法，依据此算法将其与测试案例进行比较，用以验证模型的准确性。
对于问题三，定义机房的总体任务量为1，当实际任务量为0.8或0.5时，我们将用所建立的模型和附件一的流场数据计算得到四个机柜群的任务量最优分配方案，使得通道间温度分布均匀，用第一问的结果分析，可以确定每个机柜群内部每个机柜的任务量，使得通道内部温度分布均匀，从而确定了最优任务分配方案。
依据这个方案，结合模型和附件计算得到了一些点的温度数据，用这些数据绘图，分析温度变化的规律，看是否在空间上大致均匀，来验证分配方案的优劣，在分配方案合理时，最高温度也就可以通过模型求出，通过图形验证。
对于问题四合理的选择空调送风槽的送风温度和送风速度，我们将使用正交试验法，即首先需要查找相关资料和规范，找出一组大致最优的送风速度或送风温度，并将其中最优送风速度固定，改变送风温度，经过计算找出最优送风温度，并以此作为最优的送风温度，在经过计算找最佳的送风速度。
三．模型假设。
1）气流流动为紊态流动，即在流动系统中，空间内各截面上流体的温度、流速、压强、密度等有关物理量不随时间而变化；
2) 室内空气为辐射透明介质；
3) 室内气体为可压缩流体， 且符合boussinesq假设即流体中的粘性耗散忽略不计，除密度外其它物性为常数，对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度亦作为常数；
4）室内气体属于牛顿质流体， 作定常流；.
5) 不考虑渗透风的影响， 即认为模拟房间内具有良好的气密性且不考虑机房四壁向外传热；
6）不考虑湿度的影响。
四．符号说明。
———方向的时均速度。
———参考密度。
———空气密度。
p———空气静压。
———空气层流粘性系数。
———空气紊流粘性系数。
t———空气温度。
———j方向的就加速度。
h———空气焓值。
———体积膨胀系数。
———紊流普朗特数。
、——经验系数。
五．模型建立。
5.1 热分布与流场分布图及最高温度位置
5.1.1 热分布与流场分布图。
在绘制热分布图时，由于一，三，五三个通道空间环境相似，故把。
一、三、五三个通道看成一致，我们以通道3来代替热通道，以距空调位置为x轴，以空间高度为y轴，以通道3温度为z轴，用matlab绘制出了通道3的三维立体热分布图像，由于附件1所给的数据相对较少，数据精确度较高，我们用了interp2函数的cubic方法进行绘图，即二维三次多项式插值绘图，得到了相对满意的结果，热通道的热分布图如下（matlab程序见附录1.1）：
图一。由于把通道2，通道4空间环境相似，我们把通道2、通道4看成一致，以距空调位置为x轴，以空间高度为y轴，以通道2的温度为z轴，还是用interp2函数的cubic方法，即二维三次多项式插值绘图的方法绘制出了通道2的热分布图像，冷通道的热分布图像如下（matlab程序见附录1.2）：
图二。在绘制流场分布图时，由于。
一、三、五三个通道空间环境相似，所以可以把一，三，五，三个通道看成一致的，我们讨论通道三来代替热通道，以距空调位置为x轴，以空间高度为y轴，以通道3风速为z轴，用matlab绘制出了通道3的三维立体流场分布图像，热通道的流场分布图如下（matlab程序见附录1.3）：
图三。因为通道2与通道4空间环境相似，故我们只考虑通道2，以距空调位置为x轴，以空间高度为y轴，以通道2的风速为z轴，依旧是用二维三次多项式插值绘图的方法绘制出了通道2的流场分布图像，冷通道的流场分布图像如下（matlab程序见附录1.4）：
图四。5.1.2 最高温度位置和结果的合理性分析。
由冷热通道的热分布图像，用matlab对图像遍历取点可以得到室内最高温度的位置在热通道的通道三内，在距空调距离7.2m，离地面的高度是2.25m处，最高温度为54.01。
结果合理性分析：
1.由于热通道内没有冷风的出风槽，热通道的整体温度高于冷通道，热点出现在热通道而没有出现在冷通道是合理的。
2.由于机柜采用背靠背，面对面的的散热模式，通道3是俩个机柜群散热的通道，通道1和通道5是一个机柜群的散热通道，所以热点出现在通道3而没有出现在通道1和通道5内是合理的。
3.从距空调距离这个角度分析，虽然是下送上回的制冷模式，通道内距空调距离看似对温度没有影响，但是回风口在空调顶端，距离空调越近空气对流越强（流场数据可以说明这个结论），热量容易散出，距离空调越远空气对流越弱，热量不易散出，所以随着距离空调距离越远，温度有一个上升的过程；距离热源越近，温度自然越高，通道内的温度应该高于通道外的温度，所以当距离空调距离达到一定的值，快要出通道时，会有一个拐点，这个点就是温度的最高点，然后距离的继续增大，温度开始降低；综上所述，随着距离空调距离的增加，温度是一个先上升后下降的过程，最高温度点出现在通道内部且在距离通道的边界不远处，但不能是边界，由于距离空调的距离8m处是通道的边界，所以我们认为在距离空调距离是7.2m处取得最高点是合理的。
4.机柜的高度是2m，热空气受热上升，随着高度的增加，在其他因素不变的情况下，温度是一个先上升过程，热能量的聚集有个过程，最高温度点的高度要高于机柜的高度，但是距离空调热源太远了温度自然下降，所以有一个下降的过程，总体趋势是一个先上升后下降的过程且应该高于机柜的高度，所以我们认为高度为2.25m时温度最高是合理的。
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