1 绪论

1.1 研究背景及其意义

能源是经济发展的物质基础，对发展具有重要的作用，同时也为经济社会的可持续发展具有重大贡献[1]。改革开放以来，中国经济快速增长，在取得无数令人瞩目的成就的同时，能源短缺现象也日益明显起来[2]。因此，需要大力开展节电节能工作，这对缓解我国能源紧张，建设低碳经济等问题，都具有非常重要的意义。在可持续发展的大环境下，技术创新的研究在每一个行业都逐步开展起来，需要开发新能源等方式来实现低碳经济。对此，通信行业也不例外。在电子、电信、金融、信息技术和其它行业使用的数据集中管理的驱动下，中国的数据中心建设也加速发展起来，这使得数据中心行业的发展进入到一个高速发展阶段。新一代的数据中心建设包括针对机房的专业服务、IT 投入等方面。据统计，2007 年数据中心产品投资高达 262.74 亿元，较上年同期增长了 26.1%，而 2008 年的投资额达到了 326.75 亿元之高，较 2007 年同期增长了 24.6%[3]。从图 1-1 中可以看出，数据中心行业的发展越来越快，伴随着其发展问题也越来越多。尤其是在互联网行业不断发展和升级的今天，对于机房存储设备的要求也就越来越高，这些都造成了机房符合的需求不断增大。现如今，数据中心的电能高消耗问题已经引起了多方面的关注。据某市相关调查，通信机房中一个3P 空调的日常功耗就已经达到了 36.1 度，一年大约要消耗 13167 千瓦时电力。一个普通地级市的通信机房，空调使用量有上千台之多，因此其空调耗电量仅一年就至少有 1000 万度。数据中心的成功运作需要长期提供一个高效的散热环境，并且期望以最低的运营费用来达到最高的可用性和可靠性。从上面的数据可以看出，无论是在电信企业运营成本，还是从社会可持续发展的角度看来，通信机房需要开展节能降耗工作已刻不容缓。

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1.2 通信机房发展概述

通信机房是网络服务的一个重要组成部分，所谓的数据中心机房通常指的是处于物理空间的一个集中处理信息的地方，在这里对数据进行处理、存储、传输、交换、管理等有机组合。这就对电信机房环境中设备的稳定运行有更高的要求[4]。在 80 年代以前，我国还没有颁布有关于机房建设的国家标准，因此机房建设也就没有统一的设计和验收标准。一般都是按照某一种型号的计算机要求来建设。在机房的建设中，还尚未清楚的认识到机房环境对于通信设备的安全稳定运行以及其寿命造成的影响。当时的机房建设较现在来看要简单很多，仅仅是为通信设备提供了一个场所。并没有考虑到通信机房的环境需求特点，这就对通信设备的稳定性和使用寿命造成了严重的影响。通信设备的稳定运行依靠其自身的电源供电情况以及其所处的环境温湿度等因素。

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2 通信机房数值模型

2.1 计算流体力学简介

CFD[27]是一种通过计算机技术进行数值计算和图像显示，对流体流动和热传导等物理现象做出系统的分析。其基本思想是：在物理场中原始的空间及时间域上，例如速度场和压力场，利用一系列有限个离散点上的变量值的数集来代替。这些原则和具体方法，建立在与这些离散点有一定关联的代数方程组的基础上，再通过这些方程组来获得速度场和压力场等变量的近似值。这种方法可以被看成是在质量守恒、动量守恒、能量守恒等方程的控制下对流体流动的数值模拟。通过这种模拟，最终可以得到复杂问题的流场中的各点的基本物理量，还可以得出这些物理量随着时间的变化而变化后的特性等。CFD[28]与传统的理论分析、实验测量构成了流体流动问题的完整研究体系。将结论加以分析发现其具有普遍适用性，从各种影响因素也很容易看出，这种方法在指导实验研究与验证新的数值计算方法等方面都具有理论基础，需要抽象和简化后的计算模型才能再加以分析得出结论，根据由实际实验测量得到的结果可以看出这种方法真实可信，这对于理论分析具有极其重要的作用。然而在实际的实验测量过程中已知和未知干扰因素还有很多，一般情况下很难单单通过实验的方法得出结果。CFD 的存在正好克服了实验测量的不足，节省了人力物力的投入。CFD[29]适应性比较强而且应用广泛，它不会受物理模型以及实验模型的限制，且具有很高的灵活性，能够得到完整详细的资料结果，这尤其对于高温、有毒、易燃等一系列特殊场合的模拟尤为重要[9]。它提供的最终结果不具有任何形式的解析表达式，只能获得空间内有限个离散点上的数值解，这样对计算也存在着一定的误差性。

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2.2 常用的离散化方法

目前常用的离散化方法有：有限差分法、有限元法和有限体积法。三种方法分别概括如下[30]：有限差分法是将求解区域划分为差分网格，并用有限个网格节点来代替连续的求解域，然后将控制方程的导数用差商代替，进而推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分方程组的解，就是微分方程定解问题的数值近似解，这是一种直接将微分问题变换为代数问题的近似数值解法。有限元法是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成了嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。有限体积法，又被称作控制体积法。近年来发展非常迅速。基本思想是：将计算区域划分为一系列的不重复的控制容积，并使每个控制容积都有一个节点做代表，其特点是计算效率高并使每个网格点周围有一个控制容积，通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来到处离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量 Φ 的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 Φ 值在在网格点之间的变化规律，即假定 Φ 值的分段分布剖面。有限体积法实际上属于加权剩余法中的子区域法，从其它未知的近似方法看来，有限体积法属于离散方法中采用局部近似的一种方法。简单来说也就是属于有限体积的基本方法。

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3基于 CFD 的流场模拟及分析 .........21

3.1 通信机房物理模型 .......21

3.2 通信机房模型的建立 .....21

3.3 热源及各参数测试 .......24

3.4 边界条件的设定 .........25

3.5 网格的划分 ......25

3.6 实际工况下的数值模拟结果 ......26

3.7 改变温度情况下的数值模拟结果 .........31

3.8 改变速度情况下的数值模拟结果 .........33

3.9 本章小结 ........34

4 测量点位置的改进..........35

4.1 传统测量方式 ....35

4.2 测量点改进的意义和方法 ........37

4.3 数学描述 ........40

4.4 聚类分析 ........43

4.5 温度场及速度场的数据 ..........46

4.6 本章小结 ........48

5 优化的过程及结果..........49

5.1 MATLAB 概述......49

5.2 MATLAB 部分结果图.......50

5.3 测量点位置优化 .........54

5.4 测量点优化后的速度场、温度场分布 .....58

5.5 本章小结 ........60

5 优化的过程及结果

5.1 MATLAB 概述

MATLAB[49]是一款用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算的高级计算语言和交互式环境的商业数学软件，此款软件由美国 MathWorks公司出品。这种软件应用广泛，在数值分析、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数值和符号运算等方面均有涉及[21]。它与 Maple、Mathematica 是数学三大软件[56]，在数值计算方面拥有者强大功能。其优点有：使用户能够从复杂的数学运算分析中进行高效数值计算，同时实现了计算结果在图形处理中的可视化问题，再者其功能全面的工具箱使用便捷。利用 MATLAB 编程并且通过聚类分析得到最优的结果。

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结论

通信机房是网络服务的重要组成部分，作为对信息的处理、存储、传输、交换、管理等进行集中的处理和有机组合。电信设备需要稳定运行来满足机房环境的较高的要求[22]。通信机房中包含大量的 IT 设备，作为电子信息流通的场所，通信机房的环境需求有特别要求，本文侧重从测量点的改造问题出发，利用速度场温度场模拟图对测量点的重新定义本文从机房热环境的模拟及测量点优化角度出发，并通过对正交函数逼近法以及聚类分析等的研究，得出最优测量点的数据，从而找到最优测量点的范围。利用 FLUENT、MATLAB 等程序实现了测量点位置的改进。

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参考文献（略）