本文是一篇机械论文，笔者探究不同因素对浸没式相变换热系统换热性能的影响，通过监测不同因素下热源表面温度变化、冷却液气相体积分数等参数的变化曲线，得到浸没式相变换热系统最佳冷却策略。
第1章 绪论
1.1 引言
数据中心（IDC，Internet Datacenter）是全球协作的特定设备网络，是数据传递、数据加速、数据展示、数据计算、数据存储的重要载体，包括计算机设备、服务器设备、存储设备和网络设备等[1]。数据中心各级结构如下图1.1中所示，(a)为数据中心机房级，(b)为数据中心机柜级，(c)为数据中心芯片级。21世纪以来，人类科技高速发展，大数据、云计算以及互联网在各行各业中迅速占据重要位置，推动了人类文明进一步发展。国际数据公司从以下四个方面对大数据进行定义：规模巨大、更新频繁、类型多样化以及价值巨大。在这一背景下，数据中心应运而生，并且全球信息量以及数据中心数量呈指数级增长。
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1.2 数据中心能耗研究现状
电源使用效率（PUE值，Power Usage Effectiveness）为评估数据中心耗能等级的指标，PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗，PUE值越接近1，说明数据中心能源利用率越高，表明数据中心的绿色程度越高[17]。数据中心的IT设备将99%以上的电能转换为热能，而其中70%的热能需要数据中心通过冷却系统移除，进一步增加了数据中心的用电消耗[18]。2015年全球数据中心耗电量达到了420 TWh（1 TWh约10亿 kW h），而根据Andrae的预测，2025年数据中心的耗电量将达到3390 TWh，预测还表明数据中心耗电量在全球耗电量的占比由2015年的0.9%增加至2025年的4.5%[19]。根据《中国液冷数据中心发展白皮书》显示[20]，2017年我国数据中心耗电量超过了三峡大坝和葛洲坝电厂2017年全年发电量之和，高达1250亿 kWh，其中冷却系统耗电量约占数据中心能耗总量的40%，约500亿 kWh；2018年全国数据中心耗电总量约为1609亿 kWh，并预计2023年全国数据中心耗电量将增长66%，2025年我国数据中心总耗电量可能达到三千亿千瓦时[21]。数据中心IT设备以及冷却系统的能耗占总能耗的85%左右，在降低能耗提高能源使用效率方面具有很大的潜力。
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第2章 浸没式相变散热系统模型
2.1 引言
CFD（Computational Fluid Dynamics）流体力学是利用计算机模拟和数值方法分析流体运动的科学和技术领域。它通过将流体分为离散的小元素，以数学方式描述流体的运动和相互作用，从而解决流体动力学问题。CFD流体力学可应用于液体和气体的流动，以及复杂的多相流动，例如固体颗粒和气泡的运动。CFD流体力学包括建立流动的数学模型，选择适当的数值方法，实现数值解算程序，并对解算结果进行后处理和分析。其中，数值方法包括有限体积法、有限元法、谱方法等，这些方法可以通过计算机模拟数值方程组来解决实际流体力学问题。CFD流体力学在工程学、物理学、化学和地球科学等学科领域中广泛应用。它可以用于优化产品设计、预测流体系统的性能、减少能源消耗和污染等。CFD流体力学已成为现代工程设计和科学研究的重要工具。
FLUENT是一种流体动力学数值模拟软件，是目前世界上广泛使用的流体动力学数值模拟软件之一，应用范围包括航空航天、汽车、能源、化工等领域。FLUENT主要功能是解决流体力学和热传导问题，可以处理从简单流动到高度复杂的多物理场问题，支持多种数值求解和物理模型，包括有限体积法、有限元法、欧拉-拉格朗日方法、湍流模型、多相流模型等。
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2.2 物理模型 服务器内部结构非常复杂，由许多零部件组成。因此，在建模前需要对服务器进行简化处理。考虑到CPU是服务器中最主要的热源，本文的建模过程只关注CPU的热量来源，而忽略其他发热量较小的零部件。简化后的模型图如下图2.1和2.2所示。该模型包括5个主板和10个CPU。每个CPU的尺寸为5×5×1 cm，是服务器中的主要热量来源。
在该模型中，密闭相变池上方是系统的冷凝回流处。该冷凝回流处有一块38 cm×2 cm×2.4 cm的冷凝板。在冷凝板内部，有一条内径为0.8 cm的冷凝管，它连接着两侧的进出水口。冷却水持续地从进水口进入冷凝管中，与系统进行热交换后从出水口流出。这个简化模型将有助于我们更好地理解服务器内部结构。
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第3章 浸没式相变散热系统影响因素的模拟研究 ............................ 21
3.1 引言 ................................ 21
3.2 冷却液的选择 .............................. 21
3.3 模型的前处理及求解算法 ............................. 24
第4章 浸没式相变散热系统影响因素的实验研究 ............................ 41
4.1 引言 .......................... 41
4.2 沸腾相变实验系统 .................................. 41
4.3 热电偶的标定 ..................................... 45
第5章 服务器内部主板排列结构对散热效果的影响 ........................ 51
5.1 引言 .................................. 51
5.2 评价指标 .............................. 51
5.3 服务器内部主板不同排列方式对散热性能的影响 .................... 52
第5章 服务器内部主板排列结构对散热效果的影响
5.2 评价指标
数据中心的冷却系统既要保证各服务器在工作过程中的最高温度不超过电子元件安全运行温度85 ℃，又要保证整个系统内部各服务器之间温度均匀性，因此在探究服务器内部不同排列方式对换热性能的影响以及内部主板之间最小排列间隔时，从热安全性以及热稳定性两方面入手，选择最高温度、温差以及温度均匀系数作为评价指标，最高温度越低，整个系统的热安全性越好；温差越小，整个系统的温度波动范围越小；温度均匀系数越小，整个系统的热稳定性越好。
网格划分方式同主板纵向排列结构模型的划分方式，三维模型全局采用共节点的结构化网格划分，冷凝板处对网格进行局部加密，采用poly hex core网格划分，提高整体计算精度。
模型外部壁面设置为绝热壁面，无滑移条件；冷却水进口设置为速度入口，出设置为自由流出；芯片为整个模型的热量来源，设置为恒定功率，芯片表面设置为流固耦合面；选取瞬态求解器，沿Y轴方向开启重力选项，重力为-9.81 m/s2；压力采用PRESTO!插值方式，体积分数采用几何重构插值方式，能量、动量采用二阶迎风插值格式以提高计算精度；设置监测参数：芯片表面温度、芯片体温度、压力变化、热流密度。
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第6章 总结与展望
6.1 总结
随着电子元件集成化的发展，单位面积热流密度逐渐增加，数据中心对散热系统的要求日益严苛。浸没式相变散热技术作为一种新兴的散热技术，以其高换热效率、低能耗成为当前高热流密度数据中心的主流散热方式。本文采取实验与数值模拟相结合的研究方式，主要研究工作如下：
(1) 选择合适的冷却介质。通过查阅相关文献，选择几种适合数据中心服务器电子元件浸没式相变液冷的电子氟化液进行比较分析，FC-40和FC-77的沸点较高，启动沸腾所需的热量较多，在应用于服务器的浸没式相变散热系统时只能进行单相换热，无法保证元件的安全运行，最终选择低沸点、高潜热、性质稳定的HFE-7100作为本文数值模拟和实验系统的冷却介质。
(2) 不同因素对浸没式相变散热系统影响的数值模拟研究。建立浸没式相变散热系统的物理模型和数值模型，并对模型进行了网格独立性验证，对不同冷却水入口温度(15 ℃、20 ℃、24 ℃、30 ℃)以及不同冷却水流速下(0.6 m/s、0.8 m/s、1 m/s、1.2 m/s)的工况进行了数值模拟分析，模拟结果表明冷却水入口温度对整个浸没式相变散热系统内部温度变化的影响大于冷却水流速；冷却水入口流速对达到稳定所需时间的影响大于冷却水入口温度。通过对表面温度以及换热系数的分析，冷却水入口温度为24 ℃、入口流速为1 m/s为最佳运行工况。对系统内部不同饱和压力(0.08 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa)的工况进行数值模拟，随着系统内部饱和压力值的增加，芯片表面平均温度达到稳定所需时间越短，内部环境压力值的升高，表面有效核化尺度不断增大，对沸腾过程中产生汽化核心有正向影响作用。同时随着饱和压力的升高使汽化核心的密度不断增加，因此当系统内压力值高时，系统内部沸腾更剧烈，换热效率更高。
参考文献（略）