基于介尺度科学的高密度数据中心热环境研究

The heat loads of servers and storage devices in high density datacenters are continuing to increase at a rapid rate. These increases are causing data center operators to struggle with how to provide adequate cooling for these high-powered racks. In this project a meso-scale model based on mesoscience is develop that allow the prediction of all kinds of heat transfer phenomenon in a data center. These models allow the estimation of the chilled air temperature entering the data center room, the server air inlet temperature, and ultimately the maximum microprocessor junction temperature. The mesoscale approach has lead to some general characterizations of the interaction of the heat generated at the server level and global temperature field. The aim of this project is the most efficient use of the cooling capacity supplied by the CRAC units and ultimately reduce the operational cost of data centers, ultimately provides a reliable modeling framework by which the data centers of the future can be designed.

随着高密度数据中心中服务器和存储设备容量的不断增加，其冷负荷需求亦不断增大。数据中心的高能耗特点已被社会高度关注。本研究将分析数据中心空调系统及机房热环境的复杂流体流动，提炼其介尺度特征，提出模拟数据中心中所有服务器热特性和机房内温度场的介尺度模型，揭示微通道层次中产热源和热传递共同对服务器设计结构产生的热影响，初步实现机房内气流流动、热传递同产热源之间的关联。本项目目标是为数据中心最大效率利用空调冷量，减少运行费用，并且最终提供用于未来数据中心空调系统设计的足够信息和可靠建模结构。

本项目建立微通道层次下固液两相流相变流动数学模型，数值预测设备机柜层次下的热传递过程及服务器热特性，实现微通道层次与设备机柜层次的热传递过程在服务器尺度的关联，搭建微颗粒相变两相流换热实验测试平台，并完成了相关数学模型的验证。.主要成果体现在：(1) 提出了实现尺度间信息双向关联的悬浮液双尺度数学模型，突破了现有模型采用集总参数估算胶囊相变能力的限制，弥补了现有悬浮液模型无法考虑胶囊相变过程的不足；(2) 基于解析解、多元回归分析和RBF神经网络，提出了用于双尺度模拟中相变微胶囊参数的3种信息提炼和封装处理方案，修正了现有模拟中由胶囊“均一温度”假设所导致的相变速率线性变化的偏差；(3) 揭示出闭式回路热虹吸系统冷源温度的合理选择对微胶囊悬浮液相变性能的充分利用起着决定性作用，而热源功率更多地影响悬浮液在固液热虹吸环路系统中的整体换热性能；(4) 提出两相闭式回路热虹吸冷却系统和房间空调系统联合运行方式，有望解决目前数据中心服务器芯片局部热流密度已达200 W/cm2的散热问题。.本项目研究成果在相变微胶囊换热的双尺度数值模拟中引入了介尺度理论，丰富了介尺度理论的内涵，拓展了其工程应用背景，为同类型闭式环路系统的优化设计和在数据中心的合理利用提供了一定的科学依据。数据中心机柜局部热点的数值预测，为机柜设计和服务器布置提供有力理论支撑。.本项目发表SCI论文7篇，EI论文7篇，授权发明专利1项和实用新型1项，培养博士研究生4名，硕士研究生3名。