海底数据中心翅片散热结构设计与分析_陈鑫.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷，2023 年第 2 期 186 海底数据中心翅片散热结构设计与分析海底数据中心翅片散热结构设计与分析 陈 鑫1a，周海峰1a,2，李 晴1b，魏泊熹1a，郑东强1c（1集美大学，a.轮机工程学院；b.理学院；c.海洋装备与机械工程学院，福建厦门 361021；2福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门 361021）摘 要：摘 要：为进一步提升海底数据中心的散热效率，对海底数据中心翅片散热结构进行优化设计，建立以海底数据中心总散热量最大和总压降最小为目标的数学模型，采用改进遗传算法求解翅片的宽度和间距，使得海底数据中心散热效率最大化。基于 LabVIEW 开发平台和求解结果设计海底数据中心散热实时监测系统，实现对翅片结构的实时调节。仿真结果表明，优化设计后的翅片散热结构能够大幅度提升海底数据中心的散热效率。关键词：关键词：海底数据中心；翅片散热结构；改进遗传算法；实时监测系统 中图分类号：中图分类号：TP308;P754 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.25 Design and Analysis on Fin Heat Dissipation Structure of Submarine Data Center CHEN Xin1a,ZHOU Haifeng1a,2,LI Qing1b,WEI Boxi1a,ZHENG Dongqiang1c(1.Jimei University,a.Marine Engineering Institute;b.School of Sciences;c.School of Marine Equipment and Mechanical Engineering,Xiamen 361021,Fujian,China;2.Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Marine Engineering of Fujian Province,Xiamen 361021,Fujian,China)Abstract:In order to further improve the thermal efficiency of the Submarine Data Center,the design of the fin cooling structure of the Submarine Data Center is optimized.A mathematical model is established with the objective of maximizing the total heat dissipation and minimizing the total pressure drop of the Submarine Data Center.Improved genetic algorithms have been adopted to solve for the width and spacing of fins,maximizing the heat dissipation efficiency of the Submarine Data Center.Based on the LabVIEW development platform and the solution results,a real-time monitoring system is designed for heat dissipation in the Submarine Data Center to achieve real-time adjustment of the fin structure.The simulation results show that the optimized fin heat dissipation structure can significantly improve the heat dissipation efficiency of the Submarine Data Center.Key words:submarine data center;fin heat dissipation structure;improved genetic algorithm;real time monitoring system 0 引言引言 海底数据中心是完全环保并可持续发展的大数据中心散热问题的解决办法，而对于海底数据中心，如何保证其工作过程中向海水正常快速的传递热量是一个非常有挑战性的问题。因而研究海底数据中心散热结构尤为重要。当前研究表明，换热器的传热量与传热系数、换热面积以及传热介质之间温差有关，增加传热表面积是提高传热量最常用的方法之一。ALTUN 等1在翅片高度固定的情况下，通过增加波浪翼的振幅值来扩大翅片的表面积；HUSSEIN 等2对翅片进行了几何形状的修改，采用矩形边缘形状并在翅片表面添加不 收稿日期：2021-11-27；修回日期：2022-05-05 基金项目：国家自然科学基金项目（51179074）；福建省自然科学基金项目（2021J01839,2018J01495）；福建省教育厅项目（JAT200242,JAT170318）；产学研项目（S20127）；福建省大学生创新创业训练项目（202210390056,202210390095）。作者简介：陈 鑫（2001），男，本科在读。研究方向：海底数据中心散热结构设计、散热优化策略及改进人工智能算法。通信作者：周海峰（1970），男，教授、硕士生导师。研究方向：智能信息处理、光机电一体化和仿生机理及节能等。陈鑫等，海底数据中心翅片散热结构设计与分析 187 同直径和位置的圆形穿孔；KOTHARI 等3通过试验证明了翅片的不同倾角对基于相变材料散热器的散热性能具有显著影响。由于海底数据中心特殊的建设环境，水流会不定向流动，致使现有散热片有限散热面积得不到充分利用；现有的翅片结构4固定，装置的调整稳定性差。除了海底数据中心的翅片结构以外，翅片的宽度和间距对散热效率也有着较大的影响。魏双5研究了翅片的结构对热传导的影响；陈善友6探索了翅片间距、翅片厚度对芯片散热效率的影响。本文在现有翅片散热结构的基础上对其进行优化设计，建立翅片宽度和间距对海底数据中心总散热量和总压降影响的数学模型，通过改进 POX 交叉算子7和有向变异算子8对传统的遗传算法进行改进，并将其应用到所建立的模型上，研究翅片宽度和间距对散热效率的影响。设计实时监测系统对翅片状态进行检测和调整，形成一套完整的、可有效提高海底数据中心散热效率的系统，有较强的创新性和可行性。1 海底数据中心的翅片散热结构设计海底数据中心的翅片散热结构设计 设计目的在于提供一种用于海底数据中心的翅片散热结构，以解决目前较为常见的用于海底数据中心的翅片散热结构存在不方便对翅片角度进行多方位调整、实用性低、装置结构调整稳定性差等影响正常使用的问题。1.1 海底数据中心总体结构设计海底数据中心总体结构设计 海底数据中心主要由密封壳体、冷却器、支撑柱和支撑底板组成（见图 1）。密封壳体将数据中心包围，防止外界海洋环境对数据中心的损害，冷却器内置散热装置，通过输液泵将外界的冷海水抽入冷却器内，而为了最大限度地提高散热效果，通常安装翅片以提高液体的传热系数。图 1 海底数据中心模拟图 所设计的海底数据中心的翅片散热结构，硬件部分主要由防护外箱、散热翅片、连接杆、紧固块、推动杆、安装块、调整杆、支撑杆、第一锥形齿、第二锥形齿、承载架、固定板和转杆等组成。采用多种联结方法：连接杆与紧固块的连接方式为螺法连接；推动杆与安装块为铰接；第一锥形齿与调整杆固定连接呈一体化结构，且调整杆通过第一锥形齿与第二锥形齿构成连动机构，并且第二锥形齿与承载架的连接方式为转动式连接。翅片散热结构模型见图2。图2 翅片散热结构总体结构图 为便于对散热翅片的角度进行便捷调整和拆换，一方面，安装块单体之间通过前后两端设置有相反螺纹结构的调整杆旋转，可控制关于调整杆中轴线前后对称设置的安装块在限位块的定位支撑作用下按照相反的方向稳定旋转，并在推动杆的作用下，带动呈等间距设置的散热翅片同步、同向发生偏转，从而实现对翅片角度进行多方位调整；另一方面，散热翅片与连接杆一一对应，构成拆卸结构，可将散热翅片从连接杆上拆卸下来，让受损的翅片得到及时更换，从而避免影响的数据中的散热效率。散热翅片及其附属构件的内外部分见图3 和图4。图3 散热翅片及其附属构件内部图 图4 散热翅片机器附属构件外部图 1.2 翅片散热结构工作原理翅片散热结构工作原理 使用该翅片散热结构时，首先按照实际需求，手海洋工程 188 动向左挤压转杆，使转杆带动与其焊接的固定杆向左移动，当固定杆与固定板脱离后，转杆失去限位，再手动转动转杆，使其通过固定杆带动第二锥形齿在承载架的支撑作用下稳定转动，并在第一锥形齿的作用下带动调整杆在支撑杆的支撑作用下稳定转动。调整杆的前后两端设置有反向的螺纹结构，在调整杆的旋转过程中，使关于调整杆中轴线前后对称设置的安装块单体在限位块的支撑作用下按照相反的方向稳定转动，并在推动杆的作用下，推动定位块并带动呈等间距设置的散热翅片同步同向发生偏转。设计的翅片散热装置不仅可多方位旋转，还可随时与连接杆进行拆卸，便于对受损翅片的及时更换，提高海底数据中心的散热效率。除此之外，在对散热翅片的角度调节完成后，可松开转杆，使其在不锈钢弹簧的作用下右移回弹复位，通过固定杆与固定板的重新卡合，实现对转杆和第二锥形齿的定位，避免转杆不受控制地旋转，从而提高装置结构的调整稳定性，方便装置结构的操作和使用。2 翅片数学模型的建立翅片数学模型的建立 海水和海底数据中心对流传热的有效体积越大，散热效应更好。在舱体体积有限时，为了让接触体积更大，选择圆柱形集装箱。海水在流过海底数据中心的翅片结构时在其路径内产生扰流，使流体分界层和热边界层之间的热交换以及热效率大幅度地提升，利用翅片散热结构能更有效提高对流传热量。但改变翅片的距离和间距能提高的表面积也会有所不同，散热效果会产生差异。2.1 目标函数的建立目标函数的建立 以海底数据中心的总散热量和总压降 2 个指标来评判该模型的散热效果。散热面积与翅片间距关联，间距较小时可加装更多翅片，使其获得更大的有效散热面积 9；而压降越小对整体的散热性能越有利。因此，建立以总散热量最大和总压降最小为目标的翅片宽度和翅片间距的数学模型。2.1.1 总散热量模型 总散热量Q 为 ta12()()Qh AATT=+-（1）式中：h 为对流传热系数；At为防护外箱两侧的面积；Aa为翅片总有效面积；T1为舱体温度；T2为海水温度。翅片面积为 2Ld（L 为翅片的高度，d 为翅片的宽度，见图 5）。由于翅片侧面积很小且对散热影响不大，故忽略不计；翅片个数N由式（2）得到，从而得到翅片总面积S 的表达式，见式（3）。t()ANsy L=+（2）t2()ASLdsy L=+（3）式（3）和式（4）中：s为翅片宽度；y为翅片间距。图5 散热翅片物理模型 对流传热系数为 Nuhs=（4）式中：为海水的导热系数；Nu 为努塞尔数。由于海底数据中心周围的海水流动方向较为紊乱，且海水动力黏度较小，Nu 的确定采用迪图斯-贝尔特公式：0.8p0.023nNuRePrvdReCPr=|=|=|（5）式中：Re 为雷诺数；Pr 为普朗特数；为海水密度；v 为海水平均速度；为海水动力黏度；Cp为海水的等压比热容。2.1.2 总压降模型 当海水在换热器内的翅片间流动时，翅片表面的粗糙度对海水有扰流的作用，海水侧压强受粗糙度的影响很大。换热器内部的总压降为 shh2GLPfD=（6）式中：f 为摩擦因子；Lh为防护箱长度；Dh为入通道水力直径；Gs为海