数据中心的热流模拟和能耗优化

发布时间：2017-09-03 15:24

  本文关键词：数据中心的热流模拟和能耗优化

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【摘要】：在数据中心的设计和优化领域,首先要制定机房、机架、制冷设备的布局配置方案,然后利用计算机进行建模和仿真,以让设计人员更加直观地分析能耗优化。本文在研究现有数据中心热流模拟和能耗优化的基础上,引入新的设计理念,建立了交互式数据中心的2D和3D模型,并应用热流模拟技术进行仿真,进而提出了一种基于服务器负载分配和空调自动控制的能耗优化方案。首先,传统的数据中心建模工具没有充分考虑机房的各种不同配置,应用局限且价格昂贵。本文提供的建模工具具有内容丰富,简单实用的特点；其次,在热流模拟中,传统的计算流体力学(CFD)方法计算耗时。本文选择了基于网格的欧拉法进行流体方程的求解,具有明显的速度优势。当网格分辨率太大时,进一步采用多网格的方法加速计算。为了证明热流模拟的有效性,结合真实数据,运用遗传算法对流体方程求解过程的各项参数进行了优化求解；对于能耗优化,学术界的研究多集中在设备物理尺寸的设计或单一参数的优化上。本文提出将能耗优化分为服务器负载分配和空调自动控制两个部分。服务器负载分配从服务器与冷气进风口的距离以及服务器出口温度的均衡两个方面进行考虑,为了增加灵活性,设置权重因子并研究不同权重因子对能耗的影响。空调的控制优化则是在对温度实时采样的基础上自动进行的。在优化函数的求解方面,设计并实现了一种实时快速的求解算法。另外,本文对3种服务器功率的变化模式进行了模拟,以探究动态情况下数据中心温度分布的变化规律。为了研究不同布局参数对能耗的影响,设计了1500多组仿真实验,在不同的优化等级下进行热流模拟,并分析结果。本文提供的软件系统和能耗优化方案,在数据中心的设计和研究中有重要的指导意义。
【关键词】：数据中心 建模 流体模拟 能耗优化 服务器 负载分配
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP308
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题背景11-13
• 1.1.1 数据中心模型12-13
• 1.1.2 数据中心信息采集13
• 1.2 研究意义13-14
• 1.3 研究现状14-17
• 1.3.1 数据中心发展史14-15
• 1.3.2 研究现状15-17
• 1.4 本文主要贡献和创新点17-18
• 1.5 本文框架18-19
• 第2章 交互式数据中心模型19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 相关概念19-20
• 2.3 通用GUI模型20-21
• 2.4 新型数据中心模型21-26
• 2.4.1 气流组织方式21-22
• 2.4.2 导流板22-23
• 2.4.3 线缆模拟23-24
• 2.4.4 传感器24
• 2.4.5 服务器功率模拟24-26
• 2.5 系统实现26-28
• 2.5.1 参数化GUI模型26-27
• 2.5.2 GUI系统27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 热流模拟29-35
• 3.1 引言29
• 3.2 流体方程29-30
• 3.3 流体方程的求解30-33
• 3.3.1 外力项的求解30-32
• 3.3.2 对流项的求解32
• 3.3.3 压力方程的求解32-33
• 3.4 仿真结果33-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第4章 仿真的有效性35-43
• 4.1 引言35
• 4.2 基于真实数据中心的建模35-37
• 4.3 求解参数37
• 4.4 遗传算法流程37-39
• 4.5 有效性探讨39-42
• 4.6 本章小结42-43
• 第5章 能耗优化43-55
• 5.1 引言43-44
• 5.2 服务器温度方程44-45
• 5.3 空调控制方案45-47
• 5.3.1 空调能耗45
• 5.3.2 空调自动控制策略45-47
• 5.4 服务器负载优化47-52
• 5.4.1 问题描述47
• 5.4.2 优化函数47-50
• 5.4.3 求解算法50-52
• 5.5 系统流程图52-53
• 5.6 本章小结53-55
• 第6章 结果与分析55-67
• 6.1 引言55
• 6.2 特定数据中心的能耗优化55-60
• 6.3 布局对能耗的影响60-66
• 6.4 本章小结66-67
• 第7章 总结与展望67-69
• 7.1 本文工作总结67-68
• 7.2 未来工作展望68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果73-74
• 致谢74

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