集装箱结构最优化设计

薛静轩 1 邱志莹 2 宋晗硕 3

（ 1.华北理工大学 理学院； 2.华北理工大学 冶金与能源学院； 3.华北理工大学 机械工程学院）

摘要：数据中心为当今时代不可缺少元件之一，其散热成为研究问题关键。本文利用Joule定律求单个服务器产热，得出n个服务器产热情况。利用Fluent分析，观察服务器散热分布图研究其布置形式。将圆柱体热流量方程与海水与圆柱体集装箱对流换热情况，散热公式及对应三个能量方程，求解集装箱的散热情况。满足散热的条件下，求出服务器的个数最大数。

关键词：最优化；集装箱；服务器

1.引言

随时代进步，电气电子产品随之发展，散热成为主要问题之一。成本及散热效率问题尤为突出。已知服务器为主要产热元件，先将其安放在压力密闭容器中，利用海水将其散热处理，在有限容积内高效服务、散热效率、成本投入成为互相限制约束。本文采取21年认证杯所给予数据为参考。

2.已知及约束条件

①已知主要散热方式为对流传热。已知密闭容器的尺寸、形状、安放位置、初始温度、单个服务器产热效率和尺寸、工作范围温度求在满足散热条件下服务器安装在密闭容器中最大数目。

②限制产品体积，改善密闭容器结构，在散热条件满足情况下，尽可能多放置服务器，使服务效率提高。

③深海散热程度大、压力高，为取得更好散热条件在问题②基础上选择合适材料，并尽可能去减少成本，提高年限。

④考虑潮汐及季节变化对散热效果的影响。

3.模型假设

①海水近似为不可压缩液体，即流体控制、三大能量定律（质量、动量、能量）及热流交换均对不可压缩液体研究。

②海水流动是牛顿流动且稳态层流，遵循 Hagen-Poiseuille 定则。

③忽略相互作用力。且在体积限定下，以流动阻力最小化为优化原则，散热特性最佳。

5. 海水流速为 1m/s，出口压力为标准大气压。

4.模型建立与求解

①分析服务器产热情况

产热利用Joule定律求得服务器产热公式为：

其中: :为服务器产热散热到集装箱的热量 ； :表示服务器表面导热率； :集装箱温度； :服务器温度。

单个服务器总产热公式为：

其中：Q:总产热量 ；W:题目初始服务器产热功率。

则n个服务器产热为nQ

②计算集装箱散热情况

该模型应用于海里，即固体与液体之间换热。主要散热方式为对流散热，表示为热量与温度差成正比，其表达式为：

其中： :热流密度，单位 ； :流体表面的温度，单位 ； :对流换热面积，单位 ； :是 上的热流量，单位 ； :表面对流换热系数，单位 ；

:固体表面的温度，单位 。

得单个服务器产热分布图：

单个服务器产热情况，由图可知由内到外放热情况依次递减，最外围红色部分产热最少，最中心处产热越多，散热为网状散热，将单个服务器置于圆柱体密闭集装箱内进行研究。

③计算服务器个数

不考虑散热情况时，计算服务器数量为 ，其满足如下公式：

结果：则在满足散热条件（ ）下，带入（5-3~13）中求服务器数目最大为：376。

5.结论

利用Joule定律求得单个服务器的产热，从而得到n个服务器产热情况。进一步利用圆柱体散热公式及对应三个能量方程，求解集装箱的散热情况，最终得出在满足散热的条件下（t<80℃），服务器的个数最大为376。为了满足散热情况，同时又使集装箱的空间最大程度的被利用，因此建议服务器的个数在300-350之间。本文建立的模型有较高的推广性和通用性，能贴近实际，评价模型精确性高，该模型具有较高的可视化，操作简单，利于推广，对于数据分布没有具体的限制。

参考文献：

[1]蔡木良,石华林,余霜鸿,黄康杰,郝钰,熊斌.基于相变辅助散热单元的配电变压器强化散热研究[J].变压器,10-12，2020,57(11).

[2]王英杰.电子设备机箱散热设计[J].电子测试,4-6，2019(16).

[3]张庆军,李丽丹,何钊,刘压军.一种高效散热器的设计[J].电子机械工程,21-22，2019,35(03).

1