CN103210708B - 用于预测数据中心的多孔砖气流的系统和方法 - Google Patents

Abstract

系统和方法提供了确定来自高架地板气室的气流。在一方面，提供了用于预测来自气室中的多个开口的气流的计算机实现方法。方法包括：（A）从储存设备接收输入数据，包括与气室有关的数据;（B）确定气室中平均空气压力;（C）基于平均空气压力确定各开口的气流值;（D）将气室分成多个网格单元;（E）使用第一迭代法确定各网格单元气流速度值;（F）基于气流速度确定在各开口的空气压力值;（G）使用第二迭代法基于在开口中的每一个的空气压力值确定多个开口中的每一个的新的气流值;（H）确定新的气流值和以前气流值间的差是否大于阈值;及（I）重复行为（E）至（H）直到差不大于阈值，然后存储多个开口中的每一个的新的气流值作为最终的气流值。

Description

用于预测数据中心的多孔砖气流的系统和方法

技术领域

根据本发明的至少一个实施例大体上涉及到用于数据中心管理和设计的系统和方法，更具体地，涉及用于预测数据中心的多孔砖(perforatedtile)气流的系统和方法。

背景技术

响应于以信息为基础的经济的日益增长的需求，信息技术网络继续在全球范围内扩展。这种增长的表现之一是集中式网络数据中心。集中式网络数据中心通常包括被排列在提供网络连接、电力和冷却能力的结构中的各种信息技术设备。通常情况下，设备被安置在称为“机架”的专门的机柜里，其整合这些连接、功率和冷却元件。在某些数据中心配置中，这些行被组织成冷热通道，以减少与冷却信息技术设备相关的成本。具有在地板下方的空气室的高架地板通常用于提供冷却空气到机架。冷空气通过具有开放区域的多孔砖从空气室分布到机架。

各种工艺和软件应用，诸如可从西金斯敦RI的美国电力转换公司（APC）获得的中央和操作管理产品已被开发，以帮助数据中心的工作人员设计和维护高效和有效的数据中心配置。这些工具通常通过诸如设计数据中心的结构，在安装之前定位数据中心内的设备及在建造后和安装完成时重新定位设备的活动来指导数据中心的工作人员。因此，传统的工具套装为数据中心的工作人员提供了标准化的和可预测的设计方法。

发明内容

本发明的第一方面针对一种用于预测来自气室中的多个开口的气流的计算机实现的方法。该方法包括：（A）从储存设备接收输入数据，所述输入数据包括与所述气室有关的数据;（B）确定所述气室中的平均空气压力;（C）基于所述平均空气压力确定每个所述开口的气流值;（D）将所述气室分割成多个网格单元;（E）使用第一迭代法，确定每个所述网格单元的气流速度值;（F）基于所述气流速度，确定在每个所述开口的空气压力值;（G）使用第二迭代法，基于在所述开口中的每一个的所述空气压力值确定所述多个开口中的所述每一个的新的气流值;（H）确定所述新的气流值和以前的气流值之间的差是否大于阈值;及（I）重复行为（E）至（H），直到所述差不大于所述阈值，及然后存储所述多个开口中的每一个的所述新的气流值作为最终的气流值。

该方法可进一步包括显示所述多个开口中的每一个的最终的气流值。在另一种形式中，该方法可以包括基于至少一个最终的气流值，控制数据中心的冷却设备和装备机架中的至少一个。方法的行为（D）可以包括自动设置所述多个网格单元中的每一个的大小，使得所述多个网格单元中的至少一个网格单元具有与所述多个网格单元中的另外一个网格单元的大小不同的大小。该方法也可包括，自动设置大小包括：基于所述气室的特性确定所述多个网格单元中的每个的大小。该方法的行为（E）可包括针对所述第一迭代法设置松弛因子，并在所述第一迭代法中使用所述松弛因子。该方法还可包括：基于所述第二迭代法的完成的迭代次数，设置所述第一迭代法的迭代次数的限制；及基于所述第二迭代法的完成的迭代次数的增加，增加所述限制。在该方法中，行为（D）可包括创建气室中的阻塞物的二维模型，及行为（G）可包括：确定所述气室中的气流是否满足质量平衡方程。该方法还可包括：如果不能满足所述质量平衡方程，则直接校正在所述开口中的每个的压力值或砖气流。

本发明的第二方面针对一种用于评估数据中心的气室中的气流的系统。该系统包括储存设备、显示器和耦合到所述储存设备和所述显示器的控制器，并且所述控制器被配置为：从所述储存设备接收输入数据，所述输入数据包括与所述气室有关的数据;基于初始空气压力值确定每个所述开口的气流值;将所述气室分割成多个网格单元;使用第一迭代法，确定每个所述网格单元的气流速度值;及基于所述气流速度，确定在每个所述开口的空气压力值;使用第二迭代法，基于在所述开口中的每一个的所述空气压力值确定所述多个开口中的所述每一个的新的气流值;确定所述新的气流值和以前的气流值之间的差是否大于阈值;及使用更新的值继续使用所述第一迭代法和所述第二迭代法，直到所述差不大于所述阈值，及然后将所述多个开口中的每一个的所述新的气流值作为最终的气流值存储在所述储存设备中。

在该系统中，该控制器可以被进一步配置为控制所述显示器显示所述多个开口中的每一个的所述最终的气流值；并基于至少一个最终的气流值来控制至少一个设备。所述控制器也可被配置为，设置所述多个网格单元中的每个的大小，使得所述多个网格单元中的至少一个网格单元具有与所述多个网格单元中的另外一个网格单元的大小不同的大小，其中，所述多个网格单元中的每一个的大小基于所述气室的特性。所述控制器也可被配置成针对所述第一迭代法设置松弛因子，并在所述第一迭代法中使用所述松弛因子。所述控制器可被配置成基于所述第二迭代法的完成的迭代次数设置所述第一迭代法的迭代次数的限制，并且所述控制器还被配置成基于所述第二迭代法的完成的迭代次数的增加，增加所述限制。所述控制器也可被配置成创建所述气室中的阻塞物的二维模型。

本发明的又一个方面针对其上存储有指令系列的计算机可读介质，所述指令系列包括导致处理器执行以下步骤的指令：接收输入数据，所述输入数据包括与所述气室有关的数据;基于平均空气压力确定每个所述开口的气流值;将所述气室分割成多个网格单元;使用第一迭代法，确定每个所述网格单元的气流速度值;及基于所述气流速度，确定在每个所述开口的空气压力值;使用第二迭代法，基于在所述开口中的每一个的所述空气压力值确定所述多个开口中的所述每一个的新的气流值;确定所述新的气流值和以前的气流值之间的差是否大于阈值;及使用更新的值继续使用所述第一迭代法和所述第二迭代法，直到所述差不大于所述阈值，及然后将所述多个开口中的每一个的所述新的气流值作为最终的气流值存储在所述储存设备中。

所述指令系列可包括将导致处理器执行以下步骤的指令：设置所述多个网格单元中的每个的大小，使得所述多个网格单元中的至少一个网格单元具有与所述多个网格单元中的另外一个网格单元的大小不同的大小，其中，所述多个网格单元中的每一个的大小基于所述气室的特性。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，各个附图中示出的每一个相同或几乎相同的部件由类似的标号表示。为清楚起见，不是每一个组件都可被标记在每一个图中。在附图中：

图1示出了根据本发明的各个方面使用其可以被实现的示例性的计算机系统;

图2示出了包括一个实施例的示例性分布式系统;

图3示出了在高架地板的数据中心的气流的模拟电路;

图4示出了根据一个实施例的用于确定气室中的气流的过程;

图5示出了来自CRAC的气流的表示;

图6演示了根据一个实施例的对称性的使用;

图7示出了在高架地板的数据中心中的气流的模拟电路;

图8示出了根据一个实施例的用于确定气室中的气流的过程;

图9演示了根据一个实施例的网格单元的使用;

图10示出了根据一个实施例的用于确定气室中的气流的过程;

图11演示了根据一个实施例的可变大小的网格单元的使用;

图12是示出了根据一个实施例的用于减少计算时间的过程的一个例子的图示;

图13A、13B和13C示出空气室的堵塞的表示;

图14示出了根据一个实施例的用于确定气室中的气流的过程;

图15示出了根据一个实施例的用于确定气室中的气流的过程。

具体实施方式

根据本发明的至少一些实施例涉及到系统和流程，通过其用户可以设计新的数据中心配置并分析、修改、管理和控制现有的配置。通过允许用户创建从中可确定性能指标的数据中心配置的模型，这些系统可方便该活动。系统和用户都可以采用这些性能指标来确定满足各种设计目标的替代性数据中心配置。另外，在至少一个实施例中，系统提供了对数据中心设备的建议布局的多孔砖气流的预测，还提供了对已安装的数据中心的多孔砖气流的预测。

如2008年1月24日提交的、题为“SystemandMethodforEvaluatingEquipmentRackCooling（用于评估装备机架冷却的系统和方法）”的美国专利申请第12/019109号（在本文中称为“'109申请”）和于2006年1月27日提交的、题为“MethodsandSystemsforManagingFacilityPowerandCooling（用于管理设施的功率和冷却的方法和系统）”的美国专利申请第11/342300号（在本文中称为“'300申请”）中所描述的，这两者都转让给本申请的受让人，这两个专利申请通过全文引用的方式并入本文，现代数据中心的典型的装备机架抽入在机架前面的冷却空气，并将气体从机架后部排出。装备机架和排冷却器（in-rowcooler）通常被以交替的前面/背面布置成行地布置，在数据中心内创建了交替的冷热通道，每排机架的前面面对冷通道，及每排机架的后面面对热通道。由冷通道分隔的相邻排的装备机架可被称为冷通道组，及由热通道分隔的相邻排的装备机架可被称为热通道组。对本领域的普通技术人员显而易见的是，一排装备机架可以是一个热通道组和一个冷通道组的一部分。在本文的说明书和权利要求书中，机架中的设备或机架本身可被称为冷却消耗方，排内的冷却单元和/或计算机房空调（CRAC）可以被称为冷却提供方。在引用的申请中，提供了用于分析数据中心的机架组的冷却性能的工具。在这些工具中，可以对不同的布局执行多个分析以尝试优化数据中心的冷却性能。

在使用CRAC提供冷却的典型的数据中心中，从CRAC输出的气流通常采用地板下的气室分布到装备机架。CRAC将冷空气泵入气室中，且空气通过通常位于装备机架的前面的多孔地砖排出。对于采用热通道/冷通道设计的设施，多孔砖通常包含在冷通道中。在现有的数据中心设计和管理工具中，通常不执行对通过多孔砖的气流的详细分析，而一些经验或粗略估计被用来确定通过多孔砖传送的气流，且经常基于由CRAC提供的总气流和泄漏气流假设均匀的气流通过每一个多孔砖。气流数据然后被用于冷却计算来设计和评估数据中心的冷却解决方案。粗略估计分析不能考虑到诸如电缆桥架和水管、气室深度、多孔砖类型、泄漏路径、CRAC和砖的位置的障碍物。

已知使用市售的基于计算流体动力学（CFD）的软件程序，如可从InnovativeResearch,Inc获得的“TileFlow”来进行对地板下的气室中的气流的分析。然而，这些程序通常非常昂贵，运行缓慢，且需要专家来进行操作。

此处所描述的至少一些实施例针对这样的工具和方法，通过使用这些工具和方法，可以使用通用的计算机来实时或接近实时地估计多孔砖的气流性能。这些工具和方法可连同数据中心设计工具和数据中心管理工具使用，并且不需要高级操作员。

本文公开的根据本发明的方面的应用并不限于在下面的描述中阐述或附图中示出的部件的结构和布置的细节。这些方面可以假设其它实施例且可以以各种方式实践或执行。本文中所提供的具体实现的实例仅用于说明的目的，而不是为了进行限制。特别是，结合任何一个或多个实施例所讨论的行为、元件和特征不意在从任何其它实施例的类似作用中排除。

举例来说，根据本发明的一个实施例，计算机系统被配置为执行本文所描述的任何功能，包括但不限于，配置、建模和呈现关于特定的数据中心配置的信息。另外，数据中心的实施例的计算机系统可以被用来自动测量数据中心中的环境参数，并控制如冷凝器或冷却器的设备以优化性能。此外，本文所述的系统可以被配置成包括或排除本文所讨论的任何功能。因此，本发明并不限于一个特定的功能或一组功能。此外，本文所用的措辞和术语用于描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文使用的“包括”，“包含”，“具有”，“含有”，“涉及”及其变体意味着囊括其后列出的项及其等同物以及另外的项目。

计算机系统

本文描述的根据本发明的各个方面和功能可以被实现为在一个或多个计算机系统上的硬件或软件。目前使用的计算机系统的例子还有很多。这些例子包括，除其他外，网络用具、个人计算机、工作站、主机、网络客户端、服务器、媒体服务器、应用服务器、数据库服务器和Web服务器。计算机系统的其他例子可以包括移动计算设备，诸如蜂窝电话和个人数字助理，及网络设备，如负载平衡器、路由器和交换机。此外，根据本发明的方面可以位于单个计算机系统上，或者可以分布在连接到一个或多个通信网络的多个计算机系统中。

例如，各个方面和功能可以分布在一个或多个计算机系统中，所述计算机系统被配置成提供服务到一个或多个客户端计算机或作为分布式系统的一部分来执行整体任务。此外，各个方面可以在客户端-服务器系统或多层系统上执行，它包括分布在执行各种功能的一个或多个服务器系统中的部件。因此，本发明并不限于在任何特定的系统或一组系统上执行。另外，各个方面可以被以软件、硬件或固件，或它们的任意组合实现。因此，根据本发明的各个方面可以被实现在使用各种硬件和软件配置的方法、行为、系统、系统元件和部件，并且本发明并不限于任何特定的分布式体系结构、网络和通信协议。

图1示出了分布式计算机系统100的框图，其中可以实施根据本发明的各个方面和功能。分布式计算机系统100可以包括一个或多个计算机系统。例如，如图所示，分布式计算机系统100包括计算机系统102、104和106。如图所示，计算机系统102、104和106可通过通信网络108互连，并可通过通信网络108交换数据。网络108可以包括计算机系统可通过其交换数据的任何通信网络。为了使用网络108交换数据，计算机系统102、104和106及108网络可以使用各种方法、协议和标准，其中包括令牌环网、以太网、无线以太网、蓝牙、TCP/IP、UDP、Http、FTP、SNMP、SMS、MMS、SS7、Json、Soap和Corba。为了确保数据传输安全，计算机系统102、104和106可采用各种安全措施，包括TSL、SSL或VPN等其他安全技术通过网络108传输数据。虽然分布式计算机系统100示出了3个联网的计算机系统，但分布式计算机系统100可以包括使用任何介质和通信协议联网的任何数目的计算机系统和计算设备。

根据本发明的各个方面和功能可以被实现为在包括示于图1中的计算机系统102的一个或多个计算机系统上执行的专门的硬件或软件。如图所示，计算机系统102包括处理器110、存储器112、总线114、接口116和储存器118。处理器110可以执行导致被操纵的数据的一系列指令。处理器110可以是市售的处理器，例如英特尔的奔腾、摩托罗拉的PowerPC、SGIMIPS、SunUltraSPARC或惠普的PA-RISC处理器，但如果许多其它的处理器和控制器可获得的话，可以是任何类型的处理器或控制器。处理器110通过总线114连接到其它系统元件，包括一个或多个存储器设备112。

在计算机系统102的操作期间，存储器112可以用于存储程序和数据。因此，存储器112可以是相对高性能的、易失性的随机存取存储器，如动态随机存取存储器（DRAM）或静态存储器（SRAM）。然而，存储器112可包括用于储存数据的任何储存设备，例如磁盘驱动器或其它非易失性储存设备。根据本发明的各种实施例可以将存储器112组织成特定的结构，并且在某些情况下，组织成独特的结构，以执行本文所公开的方面和功能。

计算机系统102的部件可以通过互连元件（如总线114）耦合。总线114可以包括一个或多个物理总线，例如，在集成在同一台机器内的部件之间的总线，但可以包括系统元件之间的任何通信耦合，包括专门或标准的计算总线技术，如IDE、SCSI、PCI和InfiniBand。因此，总线114使得能够通信，例如，数据和指令在计算机系统102的系统部件之间进行交换。

计算机系统102还包括一个或多个接口设备116，诸如输入设备、输出设备和输入/输出设备的组合等。接口设备可以接收输入或提供输出。更具体地，输出设备可使信息用于外部展示。输入设备可以从外部源接受信息。接口设备的例子包括键盘、鼠标设备、轨迹球、麦克风、触摸屏、打印设备、显示屏、扬声器、网络接口卡等。接口设备允许计算机系统102与如用户和其他系统的外部实体进行信息交换和通信。

储存系统118可以包括计算机可读和可写的非易失性的存储介质，其中存储了定义由处理器执行的程序的指令。储存系统118也可以包括记录在介质上或中的信息，且该信息可以通过程序处理。更具体地，该信息可以被存储在被特别配置以节省存储空间或提高数据交换性能的一个或多个数据结构中。该指令可以被永久地存储作为编码信号，且指令可导致处理器执行本文所述的任何功能。例如，介质可以是光盘、磁盘或闪速存储器等。在操作中，处理器或一些其他的控制器可导致数据从非易失性记录介质读出到另一个存储器，如存储器112中，与包括在储存系统118中的存储介质相比，其允许处理器更快地访问信息。然而，该存储器可以位于储存系统118中，或位于存储器112中，处理器110可以操纵存储器112内的数据，然后在处理完成后，将数据复制到与储存系统118相关的介质。各种部件可管理介质和集成电路存储元件之间的数据移动，且本发明并不限于此。此外，本发明并不限于特定的存储系统或储存系统。

虽然通过示例的方式将计算机系统102示出为一种类型的、在其上可实施根据本发明的各个方面和功能的计算机系统，本发明的各个方面不限于在图1所示的计算机系统上实现。根据本发明的各个方面和功能也可以实施在具有与图1示出的不同的体系结构或部件的一个或多个计算机上。例如，计算机系统102可以包括专门编程的、专用的硬件，诸如例如，适于执行本文公开的特定操作的专用集成电路（ASIC），而另一实施例可以使用运行MACOS系统X的一些通用计算设备和摩托罗拉的PowerPC处理器及运行专有的硬件和操作系统的一些专用的计算设备执行相同的功能。

计算机系统102可以是包括管理包括在计算机系统102中的硬件元件的至少一部分的操作系统的计算机系统。通常，处理器或控制器，例如处理器110，执行操作系统，例如，它可以是可从微软公司获得的基于Windows的操作系统，如WindowsNT、Windows2000（WindowsME）、WindowsXP或WindowsVista操纵系统，可以从苹果计算机公司获得的MACOS系统X操作系统，其中许多基于Linux的操作系统发布之一，例如，可以从红帽公司获得的企业版Linux操作系统，可从Sun微系统公司获得的Solaris操作系统，或可以从各种源获得的UNIX操作系统。许多其他的操作系统都可以使用，并且实施例不局限于任何特定的实现。

处理器和操作系统共同定义高级编程语言的应用程序可以被写入的计算机平台。这些部件的应用可以是可执行的、中间的，例如，C-、字节码或解释代码，其通过例如因特网的通信网络使用例如TCP/IP协议的通信协议进行通信。同样地，根据本发明的各个方面可以使用面向对象的编程语言实现，如.Net、Smalltalk、Java、C++、Ada或C＃（C-Sharp）。也可以使用其它面向对象的编程语言。另外，可以使用功能性、脚本、或逻辑编程语言。

此外，根据本发明的各个方面和功能可以被实现在非编程的环境中，例如，采用HTML、XML或其他格式创建的文档，当在浏览器程序的窗口中的查看时，呈现图形用户界面方面或执行其它功能。另外，根据本发明的各种实施例可以被实现为编程或非编程的元素，或它们的任意组合。例如，网页可以使用HTML来实现，而从网页内调用的数据对象可用C++编写。因此，本发明并不限于特定的编程语言，并且也可以使用任何适当的编程语言。此外，在至少一个实施方式中，该工具可以使用VBAExcel实现。

包括在实施例中的计算机系统可以执行本发明的范围之外的附加功能。例如，系统方面可采用现有的商业产品来实现，诸如，例如数据库管理系统，如可以从华盛顿州的西雅图的微软获得的SQLServer，从加利福尼亚州的红木海岸的Oracle公司获得的Oracle数据库，和从瑞典的乌普萨拉的MySQLAB公司获得的MySQL，或诸如从纽约州的阿蒙克的IBM获得的WebSphere中间件的集成软件。但是，运行例如SQLServer的计算机系统可能能够支持根据本发明的方面与不在本发明的范围内的用于各式各样的应用程序的数据库。

示例性系统架构

图2给出包括分布式系统200的物理和逻辑元件的环境图。如图所示，分布式系统200根据本发明被专门配置。关于图2陈述的系统结构和内容仅用于示例性的目的，并非旨在将本发明限制到图2所示的具体结构。对于本领域的普通技术人员而言将是明显的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以构建许多变型的系统结构。在图2给出的特定布置被选择提高清晰度。

使用任何技术，信息可在示于图2的元件、部件和子系统之间流动。这些技术包括，例如，通过TCP/IP在网络上传递信息，使信息在存储器中的模块之间传递，并通过将信息写到文件、数据库，或一些其他的非易失性存储设备来传递信息。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以使用其他的技术和协议。

参照图2，系统200包括用户202、接口204、数据中心设计和管理系统206、通信网络208和数据中心数据库210。系统200可允许用户202，如数据中心设计师或其他数据中心工作人员，与接口204交互以创建或修改一个或多个数据中心配置的模型。根据一个实施例，接口204可以包括地板编辑器和机架编辑器方面，如于2008年5月15日提交的、题为METHODSANDSYSTEMSFORMANAGINGFACILITYPOWERANDCOOLING（用于管理设施功率和冷却的方法和系统）的专利合作条约申请第PCT/US08/63675号中所披露的，通过引用将其全部并入本文，以下简称为PCT/US08/63675。在其它实施例中，接口204可以被使用使用户202能够以拖放的方式设计包括数据中心或它们的任意子集的物理布局的表示的模型的专门设施实现。此布局可以包括数据中心的结构部件的表示，包括高架地板的气室特性，以及数据中心设备。可在根据本发明的各种实施方式中发现的接口204的功能被进一步讨论如下。在至少一个实施例中，关于数据中心的信息通过该接口被输入到系统200，并将针对数据中心的评估和建议提供给用户。另外，在至少一个实施例中，优化过程可以被执行以优化数据中心的冷却性能和能源使用。

如图2所示，数据中心设计和管理系统206为用户202提供数据设计接口204。根据一个实施例，数据中心设计和管理系统206可以包括如PCT/US08/63675中公开的数据中心设计和管理系统。在本实施例中，设计接口204可包含包括在PCT/US08/63675中的输入模块、显示模块和构造器模块的功能，且可以使用数据库来存储和检索数据。

如图所示，数据中心设计和管理系统206可以通过网络208与数据中心数据库210交换信息。这些信息可包括支持数据中心设计和管理系统206的特性和功能所需的任何信息。例如，在一个实施例中，数据中心数据库210可以包括在PCT/US08/63675中描述的数据中心设备数据库中存储的数据的至少一部分。在另一个实施例中，这些信息可以包括支持接口204所需的任何信息，例如，一个或多个数据中心模型配置的物理布局，包含在模型配置中的冷却提供方的生产和分配特性，包含在模型配置中的冷却消耗方的消费特性，及待包括在组中的装备机架和冷却提供方的列表。

在一个实施例中，数据中心数据库210可存储冷却提供方的类型，由每种类型的冷却提供方提供的冷空气的量，由冷却提供方提供的冷空气的温度。因此，例如，数据中心数据库210包括特定类型的CRAC单元的记录，其为额定为在华氏68度的温度下提供速率为5600立方英尺的气流。此外，数据中心数据库210可存储一个或多个冷却指标，如CRAC的入口和出口温度，及一个或多个装备机架的入口和出口温度。可以周期性地测量温度并输入到系统中，或在其它实施例中，可使用耦合到系统200的设备连续监测温度和气流。此外，在一些实施例中，对于已安装的数据中心，也可以由系统使用来自一个或多个多孔砖的实际气流测量结果，来提高这里所描述的过程之一的精度。另外，在一个实施例中，测得的气流可以被系统使用作为对计算出的气流的检查，当测量值与计算值之间的差超过预先设定的阈值时，可能会发起警告以提示系统的操作员。

数据中心数据库210可以采用能够将信息存储在计算机可读介质上的任何逻辑结构的形式，包括平面文件、索引文件、层次数据库、关系数据库或面向对象的数据库。数据可采用独特的和外键关系和索引对数据进行建模。独特的和外键关系和索引可以在各个字段和表之间建立，以确保数据的完整性和数据交换性能。

图2中所示的计算机系统，其包括数据中心设计和管理系统206，网络208和数据中心设备数据库210，每一个都可以包括一个或多个计算机系统。此外，图2中的系统也可以连接到数据中心的一个或多个设备，包括冷却系统或配电系统的部件，以控制和监视这些系统。正如上面关于图1所讨论的，计算机系统可具有一个或多个处理器或控制器、存储器和接口设备。图2中所示的系统200的特定配置仅用于说明的目的，并且在其他情况下也可以实施本发明的实施例。因此，本发明的实施例不限于特定数量的用户或系统。

现在将描述，在至少一个实施例中，提供了实时预测通过数据中心的地板下的气室的多孔砖的气流的工具。该工具利用对数据中心的地板下的气室进行建模并简化模型的分析以预测实时的气流性能的新颖的方法。实时或近实时地预测性能的能力允许待使用的工具快速分析几种可能的解决方案，并考虑各种设计的权衡。如下面进一步讨论的，该工具可以被用来作为独立的权衡工具，包含到数据中心设计系统，或被包含作为诸如上面讨论的APC的中央和操作管理产品的数据中心管理系统的一部分。

在下面的描述中，提供了5种新颖的、高级方法用于估算多孔砖的气流，此外，还提供了用于对气室进行建模并简化高级方法中的计算的新颖的技术。5种高级方法被识别为流量网络法（FNM）、压力平均伯努利校正方法（PAB-C）、势流法（PFM）、混合法和快速流体动力学（FFD）法。这些方法中的每一个都可被包含到工具中，该工具可以结合现有的数据中心设计和管理系统，以提供改进的性能。

流量网络模型

流量网络模型（FNM）法是最经常用于预测风管和管道系统中的压力降的流体流量预测技术。FNM基于一个假设，即由流体移动通过一些电阻元件（例如，一段管或多孔砖）所经历的压力降根据由方程（1）所示的一些简单的函数与通过电阻元件的流速相关。

ΔP＝RQ²（1）

其中R通常是已知的电阻，单位是压力降/流速的平方。在本文所描述的至少一些实施例中使用的FNM，气流纯粹由压力差驱动，忽略动量。虽然气流路径在气室应用中并不是事先已知的，但FNM被适于工作，然后针对大量的CFD基准解决方案根据经验“调整”。

图3示出高架地板数据中心的气流的电路模拟300。在模拟中，电流源302表示第j台CRAC，电阻器304表示第i个多孔地砖的气流阻力，和电阻器306表示从CRACj的输出到第i个多孔地砖的流路阻力。对于任何CRACj，具有用于它提供到达任何单个的多孔砖的冷空气的单独的路径。A点是在气室内侧的CRAC的鼓风机的正下方的位置及B点是在数据中心房间的多孔砖上方的空间。假设由CRACj提供的冷空气将在A点分为N股气流（N是多孔砖的数量）并在到达i点前在高架地板气室内独立行进，i点是在第i个多孔砖正下方的位置，然后通过多孔砖离开气室并进入房间空间。然后气流在其找到回到CRACj的路径以完成循环之前将在数据中心房间内混合。

从图3以看出，流路和通过多孔砖的压力降之和必须等于在方程（2）所示的CRAC的总压降。

Δp_j＝Δp_Ai+Δp_iB（2）

可以假定，压降Δp_Ai是气流Q_ij ²的函数，及f(Δx_ij)是距离Δx_ij的函数，如方程（3）中所示。

${\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{Ai}}=f\left({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}\right)Q_{\mathrm{ij}}^2---\left(3\right)$

其中

f(Δx_ij)是砖i和CRACj之间的气室中的流动阻力;

Q_ij是由CRACj提供的通过多孔砖i的气流;

经验观察，气室流动阻力f(Δx_ij)可以表示为：

$f\left({\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}\right)={\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}^{-c}---\left(4\right)$

其中

Δx_ij是多孔砖i和CRACj之间的距离;

C是依经验确定的常数，其是气室深度和泄漏的函数。

凭经验确定的参数C被选择以在大量的房间配置、CRAC流速、砖的种类、泄漏因子、气室深度上与CFD的基准测试结果提供最佳的整体一致性。参数C主要依赖于泄漏因子与气室深度，及在一个实施例中，用于C的值被包括在表1中。

表1-根据经验确定的常数C

每种多孔砖类型的压力降特性通常根据已出版的数据是已知的，且可以写为ΔP_iB=A_iQ_ij ²。结合方程1-4，及对于通过每个多孔砖的气流，得到方程（5）。

$Q_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_j}{{\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}^{-C}+A_i}}---\left(5\right)$

由于质量守恒，通过所有砖的气流总和必须等于来自CRAC的气流（假设无泄漏），如方程（6）中所表示的。

$\underset{i}{\overset{\mathrm{All\; Tiles}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}=Q_j^{\mathrm{CRAC}}---\left(6\right)$

其中Q_j ^CRAC是由CRACj供给的总气流。结合方程5和6得到方程（7）。

${\mathrm{\ΔP}}_j={\left(\frac{Q_j^{\mathrm{CRAC}}}{{\mathrm{\Σ}}_i^{\mathrm{All\; Tiles}}[1/\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}^{-C}+A_i}]}\right)}^2---\left(7\right)$

将方程（7）代入方程（5）中，Q_ij可以被表示为方程（8）

$Q_{\mathrm{ij}}=\frac{Q_j^{\mathrm{CRAC}}}{{\mathrm{\Σ}}_i^{\mathrm{All\; Tiles}}[1/\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}^{-C}+A_i}]}\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_{\mathrm{ij}}^{-C}+A_i}}---\left(8\right)$

然后，可以使用方程（9）计算通过每个砖i的气流。

$Q_i^{\mathrm{Tile}}=\underset{j}{\overset{\mathrm{All\; CRACs}}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}---\left(9\right)$

虽然在FNM中没有明确地考虑泄漏气流，CRAC气流的总速率可被降低以考虑到泄漏，这样在计算中仅考虑实际通过砖的气流。在一个实施例中，每个CRAC的气流减少的量与其总流速成比例。

图4提供了根据一个实施例的用于数据中心管理和/或设计系统的用于使用基于FNM的过程计算砖气流的过程400的概要。在过程的第一行为402中，与气室相关的包括气室的几何形状和CRAC和砖的位置的信息被输入到系统中。在一个实施例中，该信息由用户输入，而在至少一个其他的实施例中，该信息从存储在系统中的关于数据中心的信息获取。在一个实施例中，数据中心的模型可被显示，其示出了高架地板与CRAC和多孔砖的位置。在第二行为404，每个CRAC的实际气流通过减去泄漏气流来确定。在行为406，来自每个CRAC的在每个砖的气流使用上面讨论的方程（8）来确定。接下来，在行为408，在每个砖的总气流通过将在每个砖的来自每个CRAC的气流求和来确定。然后，该过程在行为410结束。在至少一种实施例中，过程400的结果被数据中心管理和/或设计系统使用作为分析数据中心的冷却性能的一个输入。

使用流量网络模型来计算多孔砖气流是先前已知的，但通常会受到假设均匀的气室压力的限制。这种假设导致给定的构造中的所有砖（例如，25％或56％的开放区域）提供相同的气流速率。这相当于基于平均气室压力简单地估计气流。这种方法可以很容易产生误导，因为它预测具有最大的开放区域的砖将提供最多的气流。在实践中，使用大的开口的砖往往会导致大量的气流非均匀性，甚至回流（从房间进入气室，在相反的方向流动）。使用从CRAC到空气砖的流道阻力，如在本发明的一些实施例中的，导致非均匀的气室压力预测（对于不同的砖，即使它们具有相同的结构,也具有不同的气流速率），并提供对来自砖的气流的更准确的估计。

压力平均的伯努利校正法（PAB-C）

PAB-C是在至少一些实施例中使用的用于预测砖的气流的实时的技术。使用PAB-C，总的气室气流模式根据与每个CRAC相关的气流模式的叠加确定。这些气流模式依次从已知的公式估计。气流模式从每个CRAC的二维射流和纯粹的半圆柱形的径向流模式的加权平均值计算。在气室的气流模式已知的情况下，伯努利方程与“压力校正”技术一起用于确定最终的气室压力分布。接下来，通过每个砖的气流速率根据已知的砖的气流与压力降数据计算。

虽然偶尔CRAC被安装有将气流重定向到与地板平行的转向叶片，通常（且优选），CRAC气流直接撞击到坚实的底层地板上，然后在整个气室扩展开。这是优选的，因为在较低的速度,具有较小的压力变化，气流分布更均匀。边界壁、及其他CRAC和多孔砖的放置，可导致流更像传统的喷射流被定向在某一特定方向。因此，CRAC附近的气流模式可近似为方程（10）所示的喷射流和径向分量的某种加权平均。

其中和分别是与喷射和径向气流模式相关的速度矢量，及θ是以经验确定的加权参数。图5表示来自CRAC502的喷射流(jetflow)和来自CRAC504的径向流（radialflow）。已经通过分析确定了二维喷射气流模式（见Bejan,A.ConvectionHeatTransfer（对流热传递）,WileyandSons,NewYork,1984），如方程（11）所示。

$u_{\mathrm{jet}}=U_0{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{-\frac{1}{2}}\{1-\tan h^2\left(\mathrm{\γ}\frac{y}{x}\right)\}---\left(11\right)$

其中u_jet是喷射方向的速度分量，U0是在距虚构的喷射原点（在CRAC的后面获取）距离为x₀的喷射流的速度（及CRAC的供给速度），y是垂直于喷射方向的到喷射流中心线的距离，γ=7.67，是实验确定的常数。v_jet在y方向上的速度分量可从方程11和连续性方程（质量守恒定律）确定。结果示于方程（12）。

$v_{\mathrm{jet}}=\frac{U_0}{2\mathrm{\γx}}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{-\frac{1}{2}}\{2\mathrm{\γ}y\sec h^2\left(\mathrm{\γ}\frac{y}{x}\right)-x\tanh \left(\mathrm{\γ}\frac{y}{x}\right)\}---\left(12\right)$

最后，x₀可以通过x₀=4γD₀/3与CRAC宽度D₀相关。

径向气流模式的速度幅值由CRAC流速Q_CRAC和到CRAC的后部中心的径向距离r确定，如方程（13）所示。

$V_{\mathrm{radial}}=\frac{Q_{\mathrm{CRAC}}}{\mathrm{\πrd}}---\left(13\right)$

其中d是气室深度。如果CRAC没有靠墙放置，方程（13）将被修改，在这种情况下，产生的速度模式将是圆柱形的，而不是半圆柱形。

转换到笛卡尔坐标系，x和y速度分量如方程（14）所示。

$u_{\mathrm{radial}}=\frac{x{Q}_{\mathrm{CRAC}}}{\mathrm{\πd}(x^2+y^2)},v_{\mathrm{radial}}=\frac{y{Q}_{\mathrm{CRAC}}}{\mathrm{\πd}(x^2+y^2)}---\left(14\right)$

在与每个CRAC相关的气流模式在整个气室中已知的情况下，使用叠加法估算整体的气流模式；来自每个CRAC的在每个所需的计算点的u和v速度分量被求总和。其结果是，相同强度的CRAC彼此直接互吹将在它们之间的中间产生零速度点。

在一个实施例中，为了对气室壁（边界）建模，采用了对称性，如现在将要参考图6描述的。使用对称性，针对每个考虑的气室，8个额外的、虚构的气室区域包括在分析中。图6示出待分析的气室602。气室602具有多孔砖604。图6中还示出了为了对称性而添加的8个额外的气室606、608、610、612、614、616、618、620，每边添加一个气室及每个角落添加一个气室，如图6所示，每个额外的气室与被分析的气室602具有CRAC和多孔砖的相同（镜像对称）的布置。额外的气室提供了几乎抵消了垂直于感兴趣的气室的壁边界的速度的速度分布，这模拟壁边界的存在。在其它实施例中，为了提高解的精确度，代替在每一侧仅提供一个额外的虚构的气室，对称图案可以在所有方向上进一步向外重复。

对于本实施例，如果系统中的唯一阻力纯粹是由多孔砖引起的，平均气室压力被定义为将存在于气室中的单一均匀的压力。图6中的气室602的平均气室压力可使用示于图7的电路模拟700确定。在图7中，所有CRAC的气流集中到单一的电流源702中，及四个电阻704、706、708和710被示出为表示四个多孔砖，两个开口25％的砖和两个开口56％的砖。虽然这可以通用于任何数量和类型的砖，但对于n₂₅25％开口的砖和n₅₆56％开口的砖，平均气室压力如方程（15）所示。

$P_{\mathrm{ave}}=\frac{{(1-f)}^2{Q}_{\mathrm{CRAC}}^2}{{(\frac{n_{25}}{\sqrt{a_{25}}}+\frac{n_{56}}{\sqrt{a_{56}}})}^2}---\left(15\right)$

其中多孔砖的压力降与气流特性可以建模为ΔP=aQ²，其中“a”是针对每种砖类型不同的、已知的常数，及f是泄漏系数。泄漏系数被定义为离开气室而未通过多孔砖的总CRAC气流的部分。

在气室中的任何给定的点的实际压力通常不等于平均压力。在任何点的压力可以使用伯努利方程确定，如方程（16）所示：

$P_i+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V_i}^2=\mathrm{cons}\tan t---\left(16\right)$

其中，V_i是在i点的气流速度（速度）的幅值。根据方程16，如果在气室中的一个点的压力是已知的，则在所有点上的压力可以被确定。然而，最初，不知道在任何给定的点的绝对压力，但如现在将要描述的，在一个点上的压力可以被确定。正确的绝对（热力学）压力P_i可以分解为两部分，如方程（17）所示。

P_i＝P_i ^*+P′（17）

其中P_i ^*是从方程（16）计算的相对压力及P'是必须被添加到所有P_i ^*以获得所需的绝对压力的恒定压力校正。参考点，例如坐标原点，被取为使具有P_i ^*(0,0)=P₁ ^*=0且所有其他的P_i*相对于这个值计算。正确的P'是导致CRAC气流和砖气流加上泄漏的气流之间的整体质量平衡的那个，如方程（18）所示

$(1-f)Q_{\mathrm{CRAC}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{\mathrm{tile}}---\left(18\right)$

其中n是多孔砖的数量。P_i是通过调整P'直到满足方程（18）通过数值方式发现的。在其它实施例中，可以采用其它算法，及在一个实施例中，简单的二等分法被使用，其中基于对P'的猜测检查整体质量平衡;随后的猜测在两个之前最好的猜测之间的中间进行，直到P'的变化不超过可以忽略不计的量。关于P'的搜索空间基于该问题的物理尺度，例如，从-3P_ave到3P_ave。

在一个实施例中，使用方程（19）计算方程18中的Q_i ^tile。

$Q_i^{\mathrm{tile}}=\frac{P_i}{\left|P_i\right|}\sqrt{\frac{\left|P_i\right|}{a_i}}---\left(19\right)$

其中，如上面所讨论的，a_i是砖的已知的流动阻力特性且方程的形式允许砖气流为正（向气室外）或负（向气室内），这取决于P_i的符号。

在另一个实施例中，压力校正技术的替代形式被用来对气流压力耦合进行建模。在“气流校正”技术中，物理上校正的压力，即满足方程（18）的质量平衡的压力，没有被明确地确定。相反，在每一点上的压力使用方程（16）关于方程（15）的P_ave确定：P_i=P_ave-1/2ρV_i ²。该压力然后被用于使用方程（19）来确定砖的流速。代替校正在这点的压力值，在气流校正技术中，预测的砖气流速率根据需要对所有砖简单地均匀地上下校正，以满足方程（18）的质量平衡。气流校正技术为耦合的势流伯努利方程模型增加了额外的近似，这可降低精度，但是，它显著地提高了方案的速度和稳定性。

在PAB-C方法中，只有一个凭经验确定的参数，θ，其被选择以关于大量的房间配置、CRAC的大小和流速、砖的种类、泄漏因子、和气室深度而与CFD基准测试结果具有最佳的整体一致性。该参数θ主要取决于泄漏因子与气室深度，如在表3中总结的。CRAC气流模式在具有较深的气室和较低的泄漏时，更加径向；及在具有较浅的气室和较高的泄漏时，更像喷射流。

表3-根据经验确定的常数θ

注意：θ=0：喷射θ=1：径向

现在将参考图8描述根据一个实施例的使用上面所讨论的PAB-C方法的过程800来确定高架地板气室中的气流。在过程800的第一行为802，被配置来执行过程800的信息被读取到系统。该系统可以是上述的计算机系统之一。该信息可以从存储介质读入系统、通过网络传输到系统中，和/或由用户输入到系统中。在第二个行为804，系统采用如上所述的8个虚构的对称房间创建整体的房间布局。接着，在行为806，确定每个实际的CRAC和为了对称性目的而添加的每个CRAC的高架地板下的气流模式。在行为808，使用来自每个单独的CRAC的气流的叠加来确定总气流。接着，在行为810使用方程（15）确定平均气室压力P_ave。在行为812，第一相对压力P₁*被设置为等于P_ave，然后确定所有其他的相对压力值。在行为814，针对为零的恒定压力校正值P'，设置第一估计值，且绝对压力P_i的每个值也被确定。在行为816，采用方程（19）确定每个多孔砖的气流，及在判定框818，确定方程（18）的质量平衡是否满足在预定义的阈值之内。在一个实施例中，如果方程（18）的左侧和右侧之间的绝对差小于平均砖气流的0.5％，则方程（18）的质量平衡在阈值内。如果块818的结果为“是”，则在行为816确定的气流值是最终气流值且过程800结束。如果判定框818的结果为“否”，则该过程返回到行为814，在此使用P'的新值。使行为814至818重复，直到块818的结果为“是”，此时，每个多孔砖的最终气流值已经确定。

势流方法（PFM）

势流方法是在一个实施例中使用的基于物理的技术，其从第一原理计算气室气流模式而不需要针对基准CFD情况来根据经验“微调”模型，且势流方法自然地处理气室壁边界，而无需额外的步骤或近似。使用这种方法，计算较密集，并可能比本文描述的其他方法慢（对于典型的计算硬件和典型的布局，也许是几秒钟到一分钟的时间），且不能保证多快速发现“收敛”解，甚至不能保真是否将发现“收敛”解。在至少一个实施例中，气室气流的计算是二维的，但是，在其他实施例中，使用了三维模拟。3-D分析以解的速度为代价提供了精度的轻微提高。

对于可以建模为不可压缩和无旋的气流，气流模式可从泊松方程来确定，如方程（20）所示。

其中S'''是每单位体积的体积流率源及为速度势，其与x和y轴的速度分量相关，如方程（21）所示。

在没有源项的情况下，方程20简化为拉普拉斯方程，“不可压缩”的假设被严格适用于气室气流;然而，“无旋”的假设在严格意义上是近似。从计算的角度来看，在一个实施例中，这种假设将3个（1个质量守恒，2个动量守恒）方程和3个未知数（U、V和P）的控制方程简化为1个未知数的1个方程。由于墙壁和喷射气流提供了一种通过其真正的气流模式可以变为旋转的机制，从严格意义上讲，方程20在这些方面不适用，但是，沿着墙壁的摩擦力的影响在确定气室气流时意义不大;势流方法正确地预测该流不能穿透壁，但是，在至少一些实施例中，没有对沿壁的摩擦力影响建模。此外，如上文所述，对于没有转动叶片的CRAC，气流直接冲击到数据中心的底层地板上，且然后或多或少在各个方向上均匀展开;这种类型的气流模式与势流是一致的，其中源趋于在各个方向均匀地“推”或“拉”气流。

方程（20）看似简单，但是，真正的气室应用的复杂的边界条件使方程（20）的解析解是不可能的或非常困难的，且不是很通用。在一个实施例中，现在将描述该实施例，该问题的数值解使用有限差分方法。根据该方法，要分析的物理问题空间被划分成大小为Δx×Δx×d的若干网格单元。然后针对每个网格单元构造一个有限差分方程，从而创建一组n个未知数的n个方程，其中n是网格单元的数量。图9显示了2-D网格单元900，其具有相邻的网格单元902、904、906和908。气流可在网格单元的每一侧进入或离开;通过源项S'''，额外的气流可增加到网格单元或从网格单元减去，源项S'''可表示来自CRAC、多孔砖的气流，泄漏的气流或者泄漏的气流加上砖或CRAC的气流的一些组合。进入每个网格单元的净体积流量（如以cfm为单位）必须等于退出网格单元的流量，如方程（22）和（23）所示。

或

对于位于坚实的墙处或在角落里的网格单元，方程23的形式有所变化；相邻的实心单元不贡献速度势到该方程，并且在3-D分析中，在垂直方向上的CRAC和砖气流可被明确列入。n个方程和n个未知数的组通常重复使用诸如高等工程数学中描述的高斯-希德高方法的标准技术来解析，E.KreyszigSeventhEdition.1993.JohnWiley&Sons,NewYork.p.986。在该方法中，与每个网格单元相关的未知数明确地写在如方程23的方程的左手侧。对于所有的进行初始猜测，然后通过依次考虑每个方程并前进通过所有网格单元来改善猜测。对于每个方程，总是使用所有的最近计算的值。解析器保持求解所有方程，直到不再变化或固定的迭代极限已达到。

速度势场一旦被确定，使用重新写为方程（24）的有限差分近似的方程21计算速度。

其中，i和j分别表示在x方向和y方向的网格位置，及“1/2”表示在正方向距离单元中心Δx/2的单元表面。

对于使用上述的PAB-C方法，在一个实施例中，在压力流方法中使用“压力校正”技术来确定气室的压力分布，其中校正压力p'被改变，直到实现CRAC气流和砖气流及泄漏气流之间的质量平衡。在另一个实施例中，“气流校正”技术被使用，也如在PAB-C方法的上下文中所描述的。与PAB-C方法不同，在至少一个实施例中，PFM使用势（因此速度场）的更新预测来进行持续迭代。使用此过程的原因为，PFM以砖气流速率的猜测开始，且当根据所计算的压力场计算出新的砖气流速率时，改变猜测。该方案继续进行，直到砖的气流与预测的压力场是一致的。关于速度场的每一个新的解表示一个“外”迭代。“内”迭代是在求解时，通过所有网格单元进行的迭代。整个求解过程1000概括在图10中。

在过程1000的第一行为1002，被配置来执行过程1000的信息被读取到系统。该系统可以是上述的计算机系统之一。该信息可以从存储介质读入系统、通过网络传输到系统中，和/或由用户输入到系统中。在过程1000的第二行为1004，使用如上文所述的方程（15）确定平均压力P_ave。接着，在行为1006中，根据方程（19）估计通过每一个砖的气流，其中P_i=P_ave。接着，在行为1008，确定速度势，然后在行为1010，使用方程（24）确定速度。行为1012、1014、1016和1018与上述的过程800的行为812到818是相同的。一旦判决块1018被满足时，该过程在判决块1020确定最大的砖气流变化是否小于为平均砖气流的0.01％的阈值。如果判决块1020的结果为“否”，则该过程结束，且砖气流值是在行为1016中最近确定的那个。如果判决块1022的结果为“是”，则该过程前进到行为1022，在此更新每个砖的气流。在行为1022，一旦空气流被更新，则行为1008到1020重复进行，直到块1020的结果为“否”，然后最终的气流值被设置为多孔砖的最终的气流值。如果在指定次数的迭代后，可接受的收敛性没有达到，警告消息可以被呈现给用户。此消息也可以包括对用基于方程（18）的质量平衡满足的程度的残差表示的收敛质量的指示。

当使用PFM求解砖气流时，最耗费计算的过程是求解速度势。在20英尺×40英尺的气室内的固定的6’’网格将导致3200个网格单元。为了求解这个例子中的速度势，可能需要几百次内迭代。此外，可能需要几百次外迭代，其中砖边界条件被更新。总共可以进行几百-千或几百万次计算来求解收敛的砖气流。在一些实施例中，为了去除一些计算开销，使用了较大的固定网格，但是以定义较小的几何特征中的精确度和灵活性为代价。在现在将描述的一个实施例中，使用可变的网格，并且它的使用与小网格单元的精度与大网格单元的速度相结合，大大提高了该算法的效率。在使用可变网格的一个实施例中，为了确保准确性，与CRAC和多孔砖相关的网格单元被做得较小，而较大的网格单元被放置在其余区域。虽然可使用其他的单元尺寸，在一个实施例中使用了边长为6、12、和24英寸的正方形单元。

图11示出了根据一个实施例的用来分析多孔砖高架地板的2-D可变网格1100的一个例子。在2D可变网格1100中，区域1102（a）、1102（b）和1102（c）表示包含多孔砖的区域及区域1104（a），1104（b）、1104（c）和1104（d）表示CRAC。对于图11中的示例，与多孔砖和CRAC相关的区域具有较小的12英寸的网格，而其他区域具有较大的24英寸的网格。与用于完全使用固定的6”网格建模的相同的高架地板的网格单元的数量为4256相比，2-D可变网格1100中包含的网格单元的数量是572。在至少一个实施例中，在被实施以执行气室气流分析的计算机系统中，一旦空气室和CRAC参数被输入到系统中，系统将在具有多孔砖和CRAC的区域及如下所述，在有障碍物的区域使用较小的网格来自动建立可变的网格。因此，在分析可变网格模型中所涉及的分析大大简化。

用于速度势和其他变量的有限差分方程类似地用于固定和可变的网格。然而，使用可变网格，除了一对一单元-面关系外，也可以有一对多的关系。另外，在同一模型中使用可变的单元大小，节点到节点的间距（图9中的△x）也是可变的及方程（23）相应地被改变。

如前所述，求解速度势是求解砖气流中最耗费计算的部分。在至少一个实施例中，通过增加松弛因子ω，求解的这部分的速度和可靠性提高，这样一来使用方程（25）计算速度势的新值。

其中是待用于开始下一次迭代的最终的调整值，φ_i ^old（φ_i ^旧）是来自之前的迭代的值及φ_i ^new（φ_i ^新）是调整前刚计算的值。因此，ω=1是没有松弛，ω<1是欠松弛，ω>1是过松弛。松弛因子的概念在CFD和其他数值分析中是常见的，在本应用中，其以相当稳定的解为特征，通常过松弛可用于将求解加速也许10倍，并且在许多情况下，ω可以被设置为大小为1.8。然而，在某些情况下，当使用大开口区域的砖时，欠松弛用于确保可靠的收敛。在这样的例子中，通过砖的速度可以超过CRAC的。在没有欠松弛（或阻尼）的情况下，这样高的局部速度可能会导致解变得不稳定。虽然在内迭代的上下文（速度势的求解）中刚刚讨论过松弛因子，在一些实施例中，相同的概念被应用于外迭代，其中，与方程（25）类似的方程用来设置砖气流速率。

如上所讨论的，PFM求解过程包括一系列的内迭代和外迭代。在典型的实例中，许多内迭代被针对每个外迭代而进行，因为在一个实施例中，内迭代是求解中最耗费计算的部分，使进行的内迭代的数量最小化，同时确保最终结果被完全收敛。在本实施例中，人们认识到，在早期的外迭代中，过多的内迭代是不必要的和浪费的，因为在下一次外迭代时砖气流速率无论如何将发生显著改变，且将不再与计算的速度势场兼容。在经过许多外迭代后，砖气流速率从外迭代到外迭代变化较少，更多的内迭代是有道理的且被需要实现精度。通过经验测试，发现随着每一个外迭代而线性增加内迭代的数量，提供一致的良好收敛的结果，同时最大限度地减少内迭代的总数。还观察到，起始内迭代的改进后的数目和增加的速度主要依赖于房间的大小、多孔砖的类型和数量、以及CRAC的数量。具有较多的开口砖的较大的房间通常需要更多的内迭代。

现在将参考图12描述针对特定的布局的改进的求解控制参数的一个例子，其示出了具有4个CRAC1202和含有多孔砖的三个区域1204（a）、1204（b）和1204（c）的高架地板冷却设计1200。在这个例子中，每一个CRAC提供10000立方英尺/分的气流，所有的多孔砖是25％的开口面积的砖，及气室是1英尺深。对于给定的例子，与图12中的布局相邻的表1206中示出针对取决于已运行的外迭代的次数的待运行的内迭代的次数的改进的求解参数。请注意，如果，例如，砖类型被修改或甚至是CRAC停用，这些值会改变。

以上讨论的包括可变网格的方法，在至少一个实施例中被扩展，以提供气室的完整的三维分析。在本实施例中，与气室的完整的3-D表示一起，气室中的堵塞（如CRAC管道和电缆托架）也包括在分析中。然而，这种方法可使求解的时间大大增加。在一个实施例中，为了保持2-D技术的速度和简单，同时考虑堵塞，采用了“交错的棋盘（staggeredcheckerboard）”技术。使用这种方法，仅占用气室深度的一部分的固体堵塞，被建模为部分固体与部分空气空间，其中空气空间的部分等于未阻塞的气室深度的部分。

将参照图13A、13B和13C所示的例子进一步解释交错的棋盘方法。图13A示出具有其中所含的阻塞物1302的数据中心气室1300的一部分的顶视图。图13B示出气室1300和阻塞物1302的侧视图。阻塞物1302不完全阻塞气室的深度，如图13B所示。图13C示出气室1300，且阻塞物1302被建模为交错的棋盘1304以有效地以2-D表示来表示3-D物体。阻塞物的2-D模型的特征在于开口（空气）和固体空间的交替模式。请注意，该模式被交错使得空气从各个方向“看到”开口面积的大致相同的部分。在该阻塞物模型中，在水平方向上开口空气空间与固体的比等于未阻塞的气室深度与阻塞的气室深度的比。在本发明的实施例中，2-D建模技术可有效地与上面所讨论的可变网格组合使用，可变网格根据需要被局部细化以提供足够的粒度，使用该粒度，可以指定固体与空气空间的适当的比。显式的“交错棋盘”流或仅平均速度可显示给用户。

快速流体动力学

在另一个实施例中，快速流体动力学（FFD）技术被用于确定来自数据中心的多孔砖的气流。快速流体动力学（FFD）技术通常已知用于求解随时间变化的连续性和Navier-Stokes方程。参见，“Stablefluids（稳定的流体）”,Proceedingsof26thInternationalconferenceonComputerGraphicsandInteractiveTechniques(SIGGRAPH’99),J.StamLosAngeles,1999,pp.121-128。此外，FFD技术被用于游戏和电影业以提供短暂的流场预测。在现在将描述的一个实施例中，基于FFD的方法被用来预测通过高架地板的数据中心中的多孔砖提供的冷却气流。在本实施例中，如现在将要描述的，FFD法适于连续求解气室中的流场，并对每个时间步骤计算多孔砖气流，直到流场达到稳定状态。

不可压缩的Navier-Stokes方程可以写成如方程（26）所示。

其中

为速度矢量

t为时间

ρ为密度

p为压力

ν是运动粘度

使用瞬态项的一阶近似，方程（24）可以表示为如方程（27）所示。

已知使用投影方法基于由两个步骤构成的亥姆霍兹分解来求解随时间变化的不可压缩的流体流问题。见，Chorin,A.J.,1967,“Anumericalmethodforsolvingincompressibleviscousflowproblems（用于求解不可压缩的粘性流问题的数值方法）”,JournalofComputationalPhysics,2,12-26。

在第一步骤中，忽略压力梯度项计算中间速度

其中

为中间速度

为第n个时间步的速度

Δt为时间步长

时间分裂方法可以用来求解方程28，如以下文献所描述的，Stam,J.,2003,“Real-TimeFluidDynamicsforGames（用于游戏的实时流体动力学）”,ProceedingsoftheGameDeveloperConferenceandZuo,W.,2010,“AdvancedSimulationsofAirDistributionsinBuildings（建筑物中的空气分布的高级仿真）”,Ph.D.Dissertation,PurdueUniversity,WestLafayette,IN。使用这种方法，复杂的方程被分成几个小的方程，分开求解这些方程，及解被集成以得到原方程的最终解。

方程（28）可分为针对扩散的方程（29）和针对对流的方程（30）。

和

其中

是扩散后的中间速度

是扩散和对流后的中间速度

依次求解方程29和30近似直接求解方程28。因此，速度约等于通过使用高斯-赛德尔方法等的解算器，方程29可以被离散化并数值求解。方程30可以使用半拉格朗日法被离散化并数值求解。扩散和对流求解步骤在所有方向执行（例如对于2-D问题，在x和y方向）。

在第二投影步骤中，可以使用方程（31）来实现压力校正。

其中为中间压力。方程31可以被整理并表示为方程（32）所示的形式。

使方程32的两侧发散得到方程（33）。

在新的时间步的速度场应满足质量守恒方程，将代入方程33并整理得到方程（34）。

方程34本质上是泊松方程，其可以使用诸如高斯-赛德尔方法的解算器被离散化并数值求解。通过将所得到的压力场代入方程32可以计算出在时间n+1的最终的速度场。

对于使用PFM，2-D和3-DFFD分析都可以用来预测多孔砖气流。不同于稳态PFM，根据至少一个实施例的FFD解算器将从时间0开始不断计算流场，模拟房间里的所有CRAC同时上电，直到达到稳态条件。多孔砖气流边界条件在每一个时间步被更新，并反馈到FFD解算器。

对于使用PFM，气流边界条件可以被建模为位于相应的2-D单元的源（或接收器）。然后，这些气流的源或接收器可以被视为在方程（35）所示的速度场的散度。

$\stackrel{\&RightArrow;}{\&dtri;}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{u^{n+1}}=\left\{\begin{array}{c}{S}^{\&prime;\&prime;\&prime;}\\ 0\end{array}\right.---\left(35\right)$

其中S'''是每单位体积的体积流率源。

该源然后被添加作为方程34中的附加项，如方程（36）所示的。

${\&dtri;}^2{\hat{p}}^{n+1}=\frac{\mathrm{\&rho;}}{\mathrm{\&Delta;t}}\stackrel{\&RightArrow;}{\&dtri;}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{u^{\left(2\right)}}-S^{\&prime;\&prime;\&prime;}---\left(36\right)$

方程36仍然可以作为泊松方程求解因为其右手侧是已知的。计算的其余部分与上述相同：速度场被更新，计算砖气流，及过程反复进行，直到达到稳定状态。

在不同的实施例中有几种方法来基于已知的通过FFD解算器得到的速度场来确定气室的压力分布。

第一种方式与如上所述的PAB-C或PFM过程相同，通过使用伯努利方程估计相对压力场p*。这种方法实现起来简单，但是，利用其固有的“理想化流”的假设来使用伯努利方程有些限制与通过FFD法预测的更复杂的流物理相关的优势。

估计压力的第二种方法是使用其中一个单元（例如左上角的单元）作为参考点来直接利用中间压力梯度请注意，可以被证明是在稳定状态下的实际的压力梯度。

计算压力的第三种方法是直接利用Navier-Stokes方程，方程26，使用已知的速度场取代。然后，通过再次假设在一个参考点的已知压力，可得出相对压力场p*。在使用任何上述技术得到相对压力场p*后，FFD解算器然后可以使用“压力校正”技术（前面讨论过），其中，校正压力p'被改变直到实现CRAC和砖和泄漏气流之间的质量平衡。

现在将参考图14描述用于使用基于FFD的方法确定气室的多孔砖气流的过程1400的一个实施例。在过程1400的第一行为1402，被配置为执行过程1400的信息被读入系统。该系统可以是上述的计算机系统之一。信息可以从存储介质读入系统，通过网络传输到系统中，和/或由用户输入到系统中。在行为1404和1406，上述的扩散和对流方程被用于获得速度场u⁽¹⁾和u⁽²⁾。接着，在行为1408，确定中间压力场且速度场被更新。在行为1410，气室中的压力场被确定。在行为1412，确定每个砖的气流，及在判决块1414，确定是否已经达到稳定状态。如果判决块1414的结果为“是”，则该过程结束，并且在行为1412确定的最后的砖气流值为最终气流值。如果判决块1414的结果为“否”，则在行为1416，气流值被设置为等于来自最后一次迭代的值，且行为1404到1414被重复，直到达到稳定状态并确定最终的气流值。在一个实施例中，在每一个步骤的求解过程中，气流场的2-D表示可以实时显示。

混合方法

在一个进一步的实施例中，混合方法被用来确定气室的多孔砖的气流。混合方法结合PAB-C方法与PFM方法或FFD方法。最终结果分别对于PFM或FFD是等效的;然而，通过以通过PAB-C预测的速度场的“更好的猜测”开始，该求解时间可减少。速度的提高主要依赖于具体的布局和采用的网格系统。从速度提高的角度来看，“最好”的布局是其中PAB-C是最准确的那些布局，像以规则、重复的几何结构为特征而没有“L”形状或其他切口和较小的开口区域的多孔砖的那些布局。由PFM或FFD采用的网格系统还影响速度提升，因为当这种网格变得非常有效时，只运行较多的迭代比运行PAB-C解算器，可能不太耗费计算。对于具有一致的6英寸网格间距的适用PAB-C房间，求解时间总体可以减少多达约20％。现在将参照图15描述根据一个实施例的用于使用混合方法确定砖气流的过程1500。

在过程1500的第一行为1502，被配置为执行过程1500的信息被读入系统。该系统可以是上述的计算机系统之一。该信息可以从存储介质读入系统，通过网络传输到系统中，和/或由用户输入到系统中。在行为1504，使用上述PAB-C方法确定速度分布和砖气流。在行为1506，基于行为1504的结果设置最初的砖气流和气室速度。在行为1508，使用上述PFM或FFD过程之一确定最终的砖气流。

上述实施例提供了用于估计气室中的多孔砖的气流的模型，其可以用在独立的系统中或包含在更加综合的数据中心分析和管理系统。不同的模型提供了求解精度和求解速度的范围。对于瞬时结果不是强制性的应用，PFM和FFD（及其相关的混合选项）提供了最大的值。如果求解速度必须基本上是瞬时的，FNM或PAB-C将成为首选。

本文所述的实施例提供了用于确定来自数据中心的地板下的气室的多孔砖的气流的新颖的方法和系统。在本发明的实施例中，在数据中心设计或管理工具中准确地预测气流的能力有利于设计在不同的多孔砖布局配置下一致地表现出良好的气流的鲁棒的气室系统。另外，实施例有助于在试图获得砖流速中，避免设施中的代价高的试验和错误的求解。更进一步，砖气流预测的更好的精度导致改善的整个数据中心的冷却分析，并能提供能量更高效的冷却方案。在本文所述的至少一些实施例中，气室中的气流被描述为由CRAC产生。本文所描述的系统和方法可用于其他类型的气室中的空气源，包括其它类型的冷却设备和风扇。在至少一些实施例中，方法被描述为确定特定的气流。在至少一些实施例中，该确定是实际气流的预测或估计。

在本文所讨论的本发明的至少一些实施例中，实时地评估和计算的性能是指在几秒钟或更短而不是几分钟或更长的时间内完成，后者可以发生在复杂的计算中，如涉及典型的CFD计算的那些。

在如上所述的至少一些实施例中，数据中心的设计和/或数据中心的实际参数可基于预测的数据中心内的多孔砖气流而改变。该改变可以被实现以提高冷却性能和/或当发现性能在预定的规格内时，可被实现为提供成本和/或功率的节约。例如，多孔砖的位置可被改变和/或砖的类型可被改变。另外，基于所确定的气流值，根据一个实施例的数据管理系统可控制一个或多个CRAC以调节气流，此外，如果来自多孔砖的气流不足以提供足够的冷却的话，可控制一个或多个装备机架以降低功耗。

在上述至少一些实施例中，提供了工具和过程用于确定数据中心的多孔砖的气流。在其它实施例中，所述工具和过程可以用于其他类型的设施，也可以用在包括移动数据中心的移动应用中。此外，根据本文所述的实施例的过程和系统可用于架空的空气室，以及其他类型的空气室。更进一步，虽然实施例被描述为用于具有多孔砖的气室，但根据本发明的其它实施例也可以用于其他类型的用于散发气室中的空气的气室中的开口或通风口。本文所用的术语开口可包括气室的诸如通风口的单一的开口区域，紧密排列在一起以有效地作为一个开口的一组通风口，或具有许多单独的开口区域的单一的多孔砖。

如此描述了本发明的至少一个实施例的几个方面，将理解各种改变、修改和改进对于本领域技术人员容易想到。这样的改变、修改和改进意在为本公开的一部分，且意在本发明的精神和范围之内。因此，仅通过示例的方式给出前面的描述和附图。

Claims (20)

1.一种用于预测来自气室中的多个开口的气流的计算机实现的方法，所述方法包括：

(A)从储存设备接收输入数据，所述输入数据包括与所述气室有关的数据；

(B)确定所述气室中的平均空气压力；

(C)基于所述平均空气压力确定每个所述开口的气流值；

(D)将所述气室分割成多个网格单元；

(E)使用第一迭代法，确定每个所述网格单元的气流速度的值；

(F)基于所述气流速度，确定在每个所述开口的空气压力值；

(G)使用第二迭代法，基于在所述开口中的每一个开口的所述空气压力值确定所述多个开口中的所述每一个开口的新的气流值；

(H)确定所述新的气流值和以前的气流值之间的差是否大于阈值；及

(I)重复行为(E)至(H)，直到所述差不大于所述阈值，及然后存储所述多个开口中的每一个开口的所述新的气流值作为最终的气流值。

2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括：显示所述多个开口中的每一个开口的所述最终的气流值。

3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，还包括：基于至少一个最终的气流值来控制数据中心的冷却设备和装备机架中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，行为(D)包括：自动设置所述多个网格单元中的每一个的大小，使得所述多个网格单元中的至少一个网格单元具有与所述多个网格单元中的另外一个网格单元的大小不同的大小。

5.根据权利要求4所述的计算机实现的方法，其中自动设置大小包括：基于所述气室的特性确定所述多个网格单元中的每个的大小。

6.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，行为(E)包括针对所述第一迭代法设置松弛因子，并在所述第一迭代法中使用所述松弛因子。

7.根据权利要求6所述的计算机实现的方法，还包括：基于所述第二迭代法的完成的迭代次数，设置所述第一迭代法的迭代次数的限制。

8.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，还包括：基于所述第二迭代法的完成的迭代次数的增加，增加所述限制。

9.根据权利要求2所述的计算机实现的方法，其中，行为(D)包括创建所述气室中的阻塞物的二维模型。

10.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，行为(G)包括：确定所述气室中的气流是否满足质量平衡方程。

11.根据权利要求10所述的计算机实现的方法，还包括：如果未满足所述质量平衡方程，则直接校正在所述开口中的每个处的压力值或砖气流。

12.一种用于评估来自数据中心的气室中的多个开口的气流的系统，所述系统包括：

储存设备；

显示器；

耦合到所述储存设备和所述显示器的控制器，并且所述控制器被配置为：

从所述储存设备接收输入数据，所述输入数据包括与所述气室有关的数据；

基于初始空气压力值确定所述多个开口中的每一个开口的气流值；

将所述气室分割成多个网格单元；

使用第一迭代法来确定每个所述网格单元的气流速度的值，以及基于所述气流速度，确定在所述多个开口中的每一个开口的空气压力值；

使用第二迭代法，基于在每一个开口的所述空气压力值确定所述多个开口中的每一个开口的新的气流值；

确定所述新的气流值和以前的气流值之间的差是否大于阈值；及

使用所述新的气流值继续使用所述第一迭代法和所述第二迭代法，直到所述差不大于所述阈值，及然后将所述多个开口中的每一个开口的所述新的气流值作为最终的气流值存储在所述储存设备中。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器还被配置成控制所述显示器显示所述多个开口中的每一个开口的所述最终的气流值。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器被配置成基于至少一个最终的气流值来控制至少一个设备。

15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器被配置为设置所述多个网格单元中的每个的大小，使得所述多个网格单元中的至少一个网格单元具有与所述多个网格单元中的另外一个网格单元的大小不同的大小，其中，所述多个网格单元中的每一个的大小基于所述气室的特性。

16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器还被配置成针对所述第一迭代法设置松弛因子，并在所述第一迭代法中使用所述松弛因子。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述控制器还被配置成基于所述第二迭代法的完成的迭代次数设置所述第一迭代法的迭代次数的限制，并且所述控制器还被配置成基于所述第二迭代法的完成的迭代次数的增加，增加所述限制。

18.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器还被配置成创建所述气室中的阻塞物的二维模型。

19.一种计算机实现的系统，所述计算机实现的系统配置成对来自气室中的多个开口的气流进行预测，所述计算机实现的系统包括：

用于接收输入数据的模块，所述输入数据包括与所述气室有关的数据；

用于确定所述气室中的平均空气压力的模块；

用于根据所述平均空气压力来确定所述多个开口中的每一个开口的气流值的模块；

用于将所述气室分割成多个网格单元的模块；

用于使用第一迭代法来确定每个所述网格单元的气流速度的值以及基于所述气流速度来确定在所述多个开口中的每一个开口的空气压力值的模块；

用于使用第二迭代法，基于在每一个开口的所述空气压力值确定所述多个开口中的每一个开口的新的气流值的模块；

用于确定所述新的气流值和以前的气流值之间的差是否大于阈值的模块；及

用于使用所述新的气流值继续使用所述第一迭代法和所述第二迭代法，直到所述差不大于所述阈值，及然后将所述多个开口中的每一个开口的所述新的气流值作为最终的气流值存储在储存设备中的模块。

20.根据权利要求19所述的计算机实现的系统，还包括用于设置所述多个网格单元中的每个的大小，使得所述多个网格单元中的至少一个网格单元具有与所述多个网格单元中的另外一个网格单元的大小不同的大小的模块，其中，所述多个网格单元中的每一个的大小基于所述气室的特性。