摘要

      BayCare Health System是一家大型非营利性的卫生护理网络，出于降低入口温度的目的，他们在其数据中心的某个区域安装了一个冷通道气流遏制系统。原始数据表明在某些区域的入口温度有所降低，但是各处的结果却不一致。另外一些区域的入口温度实际上是升高的。

      为什么会出现这样的问题？气流管理解决方案的全球性提供商Wright Line，运用Future Facilities公司的计算流体力学（CFD）软件6SigmaDC模拟了数据中心的性能。Wright Line在BayCare数据中心获取了气流和温度的测量值，他把仿真结果和测量结果进行了比较，发现二者基本上是接近的。于是他决定用这款CFD软件来研究和诊断该中心的冷却问题。

接下来的诊断分为两个宽气流管理的话题：

(1)   气流不足

(2)   几个含有边对边气流交换系统的带风扇的后门板被装在了架子上，这样冷空气可以从架子的后面排出。

      Wright Line使用CFD模拟提出了建议，用来说明如何挖掘冷通道气流遏制系统的全部潜力。CFD模拟表明它推荐的方法降低了入口的温度和变化程度。实质上能源的浪费也减少了。

      如图1，面积为8600平方英尺的数据中心的房间被分成了三个专用区域。A，B，C是一整个未分隔的房间的三个区域。A区使用了80台Wright Line机柜，装有一级的 EIA-310服务器设备。

     数据中心以前使用的最好的范例包括安装热通道和冷通道，也用热通道中安装在天花板上的蛋格箱子来将废气排到天花板上的通风管道中。机房空调（CRAC）单元的套圈连接到通风管道上，可以直接防止热量从空白处传来。为了获得更高的效率，BayCare联络了Wright Line。

冷通道气流遏制系统的安装

     为了防止热空气进入再循环并保证冷空气能够到达设备入口，Wright Line提出了一种冷通道气流遏制系统，可以关闭冷通道，盖住天花板并在通道的末端增加门板。

     BayCare选用了这种冷通道气流遏制系统，因为它易于安装、维护成本低并且和现存的设备兼容。该系统被首先安装在A区的20个架子上，作为一个测试实例。

     在该系统安装前后，都进行了实验测量，结果表明在某些区域确实有改善，但在另外一些区域情况却有些复杂。架子入口的温度在57°F和81°F之间变化，这比预期的要高得多。几个架子入口的温度有细微的降低，而且具有讽刺意味的是测试区域一个架子入口的温度实际上是增加的。

     Wright Line为了得到更好的改进效果，进入了实体的数据中心来近距离的看一下情况。在冷通道气流遏制系统安装、不安装两种情况下，Wright Line与Future Facilities协力进行了气流和温度的测量。这些测量值包括：

l   所有设备的入口温度

l   所有开孔地板砖的空气体积流量

l   含有线缆断流器的冷通道气流遏制区的空气体积流量

l   机房空调（CRAC）的空气体积流量

l   机房空调（CRAC）的进气温度

l   机房空调（CRAC）的回气温度

l   静压的测量值

l   设备入口和架子前部的热学图像

      在检查设备的时候，Wright Line注意到4个架子使用了对流气流装置（side-to-side airflow equipment），它们的前面是完全敞开的可以为设备的进气提供路径，剩下的其他架子完全使用空白板并且是从前到后的朝气方式。

      即使在使用完整的空白板的位置，Wright Line在架子的顶部和底部同时观察到了缝隙。由于使用了前置的凹形的上升杆许多缝隙超过两寸宽。一些架子使用了集成的风扇系统来辅助将机柜内的废热排到外面。有的架子是风扇顶置的，有的刚使用了装有风扇的后门板。那4个使用对流气流装置的架子全部使用含风扇的后门板。

进行模拟和实际测量

      Wright Line使用6SigmaDC来模拟装有冷通道气流遏制系统的区域，因为这款CFD软件可以高度精确地描述服务器支架的内部构造。在处理IT设备的实际入口温度时这种建模是必要的。

      在这片空间上使用了Wright Line的派拉蒙有光粘胶经纱机壳的三种不同版本，每一种版本在模型中都被约略地绘制了出来。BayCare中心给Wright Line提供了一些文档，每个架子中的每个设备的位置都被绘制了出来。这些设备的清单已经被导入到了6SigmaDc中，每个设备的模型与相应库里的描述相匹配并且在3维空间里被安排在了正确的位置上。库里的对象是对设备特性的描述（制造商和型号），精确的反映了设备的热学和物理性质和它对数据中心的影响。

      气流的需求取决于和入口温度相关的风扇的表现，风扇的模型可以6SigmaDC库中找到。大约有90%数据可以从6SigmaDC的库里找到，如果没有的话可以从装备制造商那里获得。在装有冷通道气流遏制系统的区域中设备要求空气的体积流量达到10,500立方英尺每分（CFM）。机房空调单元的型号是Liebert DS105s。每个机房单元的额定空气体积流量为14, 600CFM.

      利用风量计测定的实际空气的进气量比额定的要稍小。在安装了冷通道气流遏制系统后，空气的体积流量并没有改变，这表明安装该系统的区域并没有维持内部的压力。

      通过地板砖进入的空气的体积流量共计7,770CFM。这远远满足不了设备对气流的需求。A区的IT设备的全部功率耗散经测定为144KW。这个值正好低于243KW，这是机房空调单元的标称的可以良好散热功率值。

      装有冷通道空气遏制系统的A区被模拟成一个虚拟的房间。这是在不对整个数据中心建模的情况下进行的，测量到的数据被用来创造新的边界条件。

      例如，气流和空气温度是在地板砖上测量的，它们被用作边界条件的一个直接输入值。设备入口温度的测量值随后被用来测试其他边界条件的假设。图2 中上半部分的CFD模拟值 与下半部分的实际测量值是一致的。每条彩色的线代表不同服务器入口的温度。

      如图3所示，机柜后面废气温度的CFD模拟结果与实际测量所得的热学图像是相符的。Wright Line利用CFD的详细结果来更好的理解遏制区的情形。

对数据中心的诊断

      图4表明了没安装冷通道气流遏制系统的地板砖气流的仿真学视角。CFD仿真结果表明，架子上方和行末的设备入口有微量的空气直接从空调单元传来。从地板砖传来的空气不能满足安装在架子上的设备对气流量的要求。

      图5表明空气如何流入未安装冷通道气流遏制系统的设备入口的。CFD模型表明了补充气流（非来自地板砖的空气）是由以下几部分组成的：周围的空气（浅蓝色），从机柜后面绕过机柜上方的混有热空气的气流（黄色和绿色）和从机柜泄漏直接出来的热废气(红色)。

      图6是从仿真的视角提示了来自装有冷通道气流遏制系统的地板砖的气流。它同样表明，冷通道气流遏制系统阻止了行末气流进入再循环。这样来自地板砖的冷空气可以到达更多位于行末的设备。

      通过安不安装冷通道气流遏制系统的CFD模型的比较可以看出，很大一部分冷空气进入了中部架子上的具有后置购房的门板上，这导致了新来的冷空气不能被用来冷却设备。

      图7表明了空气是如何流入装有冷通道气流遏制系统的设备的入口的。CFD模型表明这种方案在防止过量的废气进入再循环和防止周围空气进入遏制区这两方面是多么有效。但是当需要的气流超过供应量、冷通道气流遏制系统安装的情况下，补充气流只能来自机柜的泄漏区。这就解释了为什么少数入口的温度是上升的。

       在分析了数据中心的情况后，Wright Line建议将架子的底部和顶部密封，同样地将侧悬挂的导轨之间的空隙密封。Wright Line又建议将地板上的空隙和机柜的底部进行密封。

      另外，Wright Line还建议了BayCare的数据团队以下内容：

l   将含风扇的后门板关闭或者用打孔的带有通风孔的门板代替。

l   增加来自地板砖的气流来满足设备的需求。

l   在数据中心的A区部署冷通道气流遏制系统。

      BayCare中心将一些打孔的地板砖用带格子的砖代替并更换了机房空调的一些组件来增加气流的供应量。他们用密封工具来弥补机柜内的泄漏区并且关闭了含风扇的后门板上的几个风扇。这些改变所造成的结果被标在图8中。

      在Wright Line所建议的改变之前，设备入口的温度很明显的从进气温度变化到最接近的地板砖的温度。变化的幅度最大值为24°F。在做出了经CFD证实的建议的改变后，气流从前到后流动的的装备的入口温度与进气温度相差在1°F之内。更低的、一致性更好的入口温度可以让BayCare中心明显地增高机房空调的回温，而安装在架子上的电脑设备没有过热的危险。

结论

      在CFD仿真建模的帮助下，Wright Line对冷通道气流遏制系统的建议给BayCare中心带来了更一致的入口温度，节约了其数据中心的能源成本。

关于作者

      Brent Goren是Wright Line的数据中心顾问，他用技术方面的专长来帮助客户设计可升级的、更可靠和更有效的数据中心。在数据中心的功耗和冷却方面他有着渊博的知识，在围绕CFD建模和气流管理方面的实践上，他有着一个领导性的才能。在加入Wright Line之前，Goren先生在IT业从事超过15年的各种任务和规格的工作，最近三年专注于数据中心的加固和迁移工作。Goren先生在Manitoba大学的电子工程和自然科学学科获得了学士学位，自1997年以来一直是注册专业工程师。