水冷机柜散热系统风道结构设计优化分析

　　1 前言

　　随着云计算的普及,高密度节点的需求飞速增加,从而对高密度节点散热使用的水冷机柜的需求也相应增加。

　　涡轮风扇由于前端进风,四周出风的特性,广泛应用于水冷机柜的散热系统,除了要求系统结构紧凑外,对低噪音和高效率提出了更高的要求。因为水冷机柜应用的特殊性,业界对这方面的研究较少,目前对于风扇的研究主要是关于轴流风扇内部流动特性的数值模拟和实验研究[1,2],以及轴流风扇叶顶间隙或扇叶长度对风扇性能的影响[3,4];从系统层面对流场进行研究的也较少[5],对涡轮风扇的研究也主要是考虑风扇内部流场[6],对多个涡轮风扇组成的风扇系统的研究较少。

　　水冷机柜风扇系统的气流量与风扇性能以及整个风道的流阻有关。根据伯努利方程[7]:P1+风扇噪音与转速关系式为:以及风扇功率与转速关系式为:HP2= HP1(RPM2/RPM1)3,当系统流阻降低时,风扇在相同功率下出风量增加,适当降低风扇转速依然满足系统风量要求,从而使整个系统功耗及噪声降低。

　　本文通过仿真计算及实际测试,在系统风扇性能不变情况下,验证了流道结构变化对整套系统性能的改善情况,为提高风量、降低噪声提供了依据。

　　2 仿真模型的建立

　　图1是水冷机柜使用的涡轮风扇,在水冷机柜的设计中采用六个涡轮风扇提供风量,该风扇主要结构和设计参数为:叶轮外径225mm,轮毂直径115mm,叶片数5,进风口直径151mm,最大转速3600r/min,最大风量763cfm。

　　水冷机柜包括风扇系统、水冷盘管、服务器安装机柜等部分,在本文中主要考虑风扇系统结构变化对风量的影响,在仿真分析时对实机进行了适当的简化。由于实验器材测试1500CFM风量的限制,在本文中我们按照风扇1170转时的性能进行仿真计算,并就不同的结构分别建立模型:

　　(1)风扇不加防回流装置,使风扇另外一边的风通过专门的通道流向服务器;

　　(2)风扇加防回流装置,使风扇另外一边的风通过专门的通道流向服务器;

　　(3)风扇加防回流装置,取消风扇之间专门的风道;

　　(4)风扇加防回流装置,风扇之间完全隔离;具体结构图如图2。

　　对整个模型采用hexa unstructured网格进行划分。

　　3 模拟仿真及仿真数据分析

　　采用湍流模型进行风扇系统的流场模拟,在给定边界条件时,认为进口为大气条件,给出风扇性能参数。

　　计算过程中采用相同的参数进行网格划分,迭代次数为200次,并监测速度、压力变化曲线以保证计算结果的可信度。当各计算残差值小于0.001时,认为计算收敛。

　　从四个模型的仿真数据可以看出,模型一风量为0.5218m³/s,模型二风量为0.6021m³/s,模型三风量为0.6011m³/s;模型四风量为0.6041m³/s。即四种不同结构性能排列为: