CN103597483A - 用于预测数据中心中的流体动力学的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于使用势流技术来预测数据中心内的气流的系统和方法。在一个方面中，一种方法包括：自动生成非结构化网格，该非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；将数据中心的表示划分成多个非结构化网格单元；使用气流速度势确定多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及计算指示多个非结构化网格单元的浓度值、气流速度值和温度值是否满足收敛准则的比较结果。

Description

用于预测数据中心中的流体动力学的系统和方法

背景

技术领域

至少一个实施例通常涉及用于数据中心管理和设计的系统和方法，并且更具体地涉及用于预测数据中心中的气流动力学的系统和方法。

相关技术的讨论

响应于基于信息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散。这种增长的一个表现是集中式网络数据中心。集中式网络数据中心通常包括各种信息技术设备，其布置在提供网络连接、电源和冷却能力的结构中。设备常常被容纳在整合这些连接性、电源和冷却元件的被称为“机架”的专用机壳中。在一些数据中心配置中，这些行被组织成热通道和冷通道，以降低与冷却信息技术设备相关联的成本。具有在地板下方的充空室的高架地板通常用于向机架提供冷却空气。冷却空气穿过具有开放区域的穿孔地砖从空气室分布到机架。

已经开发了各种过程和软件应用，以帮助数据中心人员设计和维护高效和有效的数据中心配置。这些工具常常通过诸如设计数据中心结构、在安装前将设备定位在数据中心内以及在施工和安装完成后重新定位设备的活动来指导数据中心人员。因此，传统的成套工具为数据中心人员提供了标准化和可预测的设计方法。

概述

根据第一个方面，提供了一种用于使用势流技术来预测数据中心内的气流的计算机实现的方法。该方法包括以下行动：由计算机自动生成非结构化网格，该非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；由计算机将数据中心的表示分成多个非结构化网格单元；由计算机使用气流速度势确定多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；由计算机使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；由计算机使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及由计算机计算指示多个非结构化网格单元的浓度值、气流速度值和温度值是否满足收敛准则的比较结果。

在该方法中，自动生成非结构化网格可包括：生成多个计算网格单元，多个计算网格单元中的一些计算网格单元具有第一尺寸和第二尺寸中的一个，第一尺寸大于第二尺寸；生成对应于多个计算网格单元的多个可视化单元；将多个可视化单元中的具有第一尺寸的可视化单元分成具有第二尺寸的可视化单元的集合；以及在可视化平面中显示多个可视化单元。

该方法可进一步包括基于多个可视化单元的子集中包括的多个可视化单元中的每一个的位置来为该子集分配多个过渡值的行动，该子集包括至少一个边界单元和至少一个内部单元。此外，该方法可进一步包括从至少一个边界单元的原始值和与至少一个边界单元相邻的至少一个内部单元的原始值计算至少一个边界单元的新过渡值的行动。

在该方法中，计算新过渡值的行动可进一步包括计算与至少一个边界单元相邻的至少一个内部单元的原始值的标度的行动。在该方法中，计算新过渡值的行动可进一步包括计算至少一个边界单元的原始值的标度。在该方法中，计算新过渡值的行动可进一步包括计算至少一个边界单元的原始值和与至少一个边界单元相邻的至少一个内部单元的原始值的标度。该方法可进一步包括将多个过渡值分配到多个可视化单元的子集以使预测的气流值和预测的温度值中的至少一个平滑的行动。该方法可进一步包括以下行动：使用浓度值、气流速度值和温度值确定至少一个度量；存储至少一个度量；以及在叠加在多个机架和多个冷却器上的方式在数据中心的图形表示中显示至少一个度量。

此外，该方法可进一步包括在数据中心的图形表示中在可视化平面中显示多个可视化单元中的每一个的预测的气流值和预测的温度值中的至少一个。在该方法中，计算比较结果的行动可进一步包括使用迭代法确定多个非结构化网格单元的浓度值、气流速度值和温度值。在该方法中，计算比较结果的行动可进一步包括执行迭代法直到浓度值、气流速度值和温度值满足收敛准则，其中收敛准则包括机架的总功率值与冷却器的负荷值之间的差，机架和冷却器位于数据中心内。该方法可进一步包括将浓度的收敛准则确定为位于数据中心内的气流对象的数量的函数的行动，其中该函数包括用于质量守恒的总气流量的0.5％和用于能量守恒的总功率输出的0.5％，并且其中气流对象包括机架和冷却器。

根据另一个方面，提供了一种用于使用势流技术来预测数据中心内的气流的系统。该系统可进一步包括接口和控制器，控制器耦合到接口并被配置为：自动生成非结构化网格，该非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；将数据中心的表示分成多个非结构化网格单元；使用气流速度势确定多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及计算指示多个非结构化网格单元的浓度值、气流速度值和温度值是否满足收敛准则的比较结果。

在该系统中，控制器可进一步被配置为：生成多个计算网格单元，多个计算网格单元中的一些计算网格单元具有第一尺寸和第二尺寸中的一个，第一尺寸大于第二尺寸；生成对应于多个计算网格单元的多个可视化单元；将多个可视化单元中的具有第一尺寸的可视化单元分成具有第二尺寸的可视化单元的集合；以及在可视化平面中显示多个可视化单元。该控制器可进一步被配置为基于多个可视化单元的子集中包括的多个可视化单元中的每一个的位置来为该子集分配多个过渡值，该子集包括至少一个边界单元和至少一个内部单元。此外，该控制器可进一步被配置为从与至少一个边界单元相邻的至少一个内部单元的原始值计算至少一个边界单元的新过渡值。

在该系统中，控制器可进一步被配置为计算与至少一个边界单元相邻的至少一个内部单元的原始值的标度。控制器可进一步被配置为计算至少一个边界单元的原始值的标度。控制器可进一步被配置为计算至少一个边界单元的原始值和与至少一个边界单元相邻的至少一个内部单元的原始值的标度。

在该系统中，控制器可进一步被配置为将多个过渡值分配到多个可视化单元的子集以使预测的气流值和预测的温度值中的至少一个平滑。控制器可进一步被配置为使用浓度值、气流速度值和温度值确定至少一个度量并存储至少一个度量。接口可进一步被配置为在数据中心的图形表示中显示至少一个度量。至少一个度量可在图形表示中被叠加在多个机架和多个冷却器上。接口可进一步被配置为在数据中心的图形表示中在可视化平面中显示多个可视化单元中的每一个的预测的气流值和预测的温度值中的至少一个。

在该系统中，控制器可进一步被配置为通过使用迭代法确定多个非结构化网格单元的浓度值、气流速度值和温度值直到浓度值、气流速度值和温度值满足收敛准则来计算比较结果。收敛准则可包括机架的总功率值与冷却器的负荷值之间的差，机架和冷却器位于数据中心内。控制器可进一步被配置为将浓度的收敛准则确定为位于数据中心内的气流对象的数量的函数，其中，该函数包括用于质量守恒的总气流量的0.5％和用于能量守恒的总功率输出的0.5％，并且其中气流对象包括机架和冷却器。

根据另一个方面，一种计算机可读介质具有存储在其上的指令序列，该指令序列包括将使处理器进行以下行动的指令：自动生成非结构化网格，该非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；将数据中心的表示分成多个非结构化网格单元；使用气流速度势确定多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；使用气流速度值确定多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及计算指示多个非结构化网格单元的浓度值、气流速度值和温度值是否满足收敛准则的比较结果。

附图简述

附图并没有被规定为按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每一相同或几乎相同的组件由相似的数字表示。为了清楚的目的，并非每个组件都被标记在每一附图中。在附图中：

图1示出了一种示例性的计算机系统，可以使用该示例性的计算机系统实现本文所公开的各个方面；

图2示出了被配置为对数据中心的流体动力学建模的示例性分布式系统；

图3示出了根据一个实施例确定流体动力学的过程；

图4示出了根据一个实施例自动生成非结构化网格的过程；

图5示出了根据一个实施例使网格单元值平滑的过程；

图6示出了根据一个实施例在数据中心房间的三维表示中显示感兴趣的度量的过程；

图7示出了根据一个实施例的包括感兴趣的度量的三维显示；

图8示出了根据一个实施例的温度平面的表示；

图9示出了根据一个实施例的温度平面的另一种表示；

图10示出了根据一个实施例的气流平面的表示；

图11示出了根据一个实施例的气流平面的另一种表示；

图12示出了根据一个实施例的气流值的显示；以及

图13示出了根据一个实施例的气流值的另一种显示。

详细描述

至少一些实施例涉及系统和过程，通过这些系统和过程，用户可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。这些系统可通过允许用户创建从中可确定性能度量的数据中心配置的模型来便于这个活动。系统和用户都可采用这些性能度量来确定满足各种设计目标的可选的数据中心配置。另外，在至少一个实施例中，系统为数据中心设备的所提议的布局提供数据中心气流的预测，并且也为已安装的数据中心提供数据中心气流的预测。

如在于2008年1月24日提交的标题为“System and Method forEvaluating Equipment Rack Cooling”的美国专利申请号12/019109（在本文中称为“109申请”）以及于2006年1月27日提交的标题为“Methods andSystems for Managing Facility Power and Cooling”的美国专利申请号11/342300（在本文中称为“300申请”）（这两个专利申请都转让给本申请的受让人，并且这两个专利申请都通过引用被全部并入本文）中所描述的，在现代数据中心中的典型的设备机架吸取在机架前的冷却空气并从机架后部排出空气。设备机架和行内冷却器通常以交替的前/后布置被排列在行中，产生交替的热通道和冷通道，每一行机架的前面面对着冷通道并且每一行机架的后面面对着热通道。由冷通道隔开的相邻行的设备机架可被称为冷通道群，并且由热通道隔开的相邻行的设备机架可被称为热通道群。如对于本领域的普通技术人员容易明显的，一行设备机架可以是一个热通道群和一个冷通道群的一部分。在本文的描述和权利要求中，机架中的设备或机架本身可被称为冷却消耗者，并且行内冷却单元和/或计算机房空调（CRAC）可被称为冷却供应者。在所引用的申请中，提供了用于分析数据中心中的机架群的冷却性能的工具。在这些工具中，可对不同的布局执行多种分析，以试图优化数据中心的冷却性能。

在使用CRAC来提供冷却的典型数据中心中，从CRAC输出的气流通常使用地板下的空气室被分布到设备机架上。CRAC将冷空气泵送入空气室内，并且空气通过通常位于设备机架前面的穿孔地砖离开空气室。对于采用热通道/冷通道设计的设施，穿孔地砖通常被包括在冷通道内。

使用市场上可买到的基于计算流体动力学（CFD）的软件程序（例如可从Mentor Graphics公司获得的“FLOVENT”）来进行气流的分析是已知的。然而，这些程序通常非常昂贵，运行缓慢，并需要特殊的专业知识来操作。

本文所描述的至少一些实施例目的在于工具和方法，通过这些工具和方法可使用普通计算机实时或接近实时地估计数据中心气流性能。这些工具和方法可与数据中心设计工具并与数据中心管理工具结合使用，并且不要求用户有在流体动力学方面的高程度的专业知识。

本文所公开的方面在其应用中不限于在以下描述中所阐述或在附图中所示出的组件的结构和布置的细节。这些方面能够假设其他实施例，且能够以多种方式被实施或实现。本文中所提供的特定实现的例子仅为了说明的目的而提供，而没有被规定为限制性的。特别是，关于任何一个或更多实施例讨论的行动、元件和特征并不被规定为从任何其他实施例中的类似作用排除。

比如，根据一个实施例，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、建模和显现关于特定的数据中心配置的信息。另外，在数据中心的实施例中的计算机系统可用来自动测量数据中心和控制设备（例如冷冻器或冷却器）中的环境参数以优化性能。此外，本文所述的系统可被配置为包括或排除本文所讨论的任何功能。因此，实施例不限于特定的功能或功能集合。此外，本文所使用的措辞和术语是用于描述的目的，而不应该被视是限制性的。在本文中“包括（including）”、“包括（comprising）”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变型意为包括其后列出的项目及其等同物以及额外的项目。

计算机系统

本文描述的各个方面和功能可以在一个或多个计算机系统上被实现为硬件或软件。目前在使用中的计算机系统的例子有很多。这些例子除了别的以外还包括网络设备、个人计算机、工作站、大型主机、联网客户端、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包括移动计算设备（例如蜂窝电话和个人数字助理）和网络设备（例如负荷平衡器、路由器和交换机）。另外，方面可位于单个计算机系统上，或者可分布在连接到一个或多个通信网络的多个计算机系统当中。

例如，本发明的各个方面和功能可分布在配置成为一个或多个客户计算机提供服务或作为分布式系统的一部分执行总任务的一个或多个计算机系统之中。此外，方面可以在客户机-服务器或多级系统上执行，该客户机-服务器或多级系统包括分布在执行多种功能的一个或多个服务器系统中的组件。因此，实施例不局限于在任何特定系统或系统组上执行。另外，方面可在软件、硬件或固件或其任何组合中实现。因此，可使用各种硬件和软件配置在方法、行动、系统、系统元件和组件内实现方面，并且实施例不限于任何特定的分布式体系结构、网络和通信协议。

图1示出了各个方面和功能可被实施的分布式计算机系统100的框图。分布式计算机系统100可包括一个或多个计算机系统。例如，如所示，分布式计算机系统100包括计算机系统102、104和106。如所示，计算机系统102、104和106通过通信网络108相互连接并可通过通信网络108交换数据。网络108可包括任何通信网络，计算机可通过所述通信网络交换数据。为了使用网络108交换数据，计算机系统102、104和106和网络108可使用各种方法、协议和标准，除了别的以外还包括令牌环网、以太网、无线以太网、蓝牙、TCP/IP、UDP、Http、FTP、SNMP、SMS、MMS、SS7、JSON、Soap和Corba。为了确保数据传输是安全的，计算机系统102、104和106可采用各种安全措施通过网络108传输数据，这些安全措施包括TLS、SSL或VPN连同其他安全技术。虽然分布式计算机系统100示出了3个联网的计算机系统，但是分布式计算机系统100可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。

本文所公开的各个方面和功能可被实现为在一个或多个计算机系统——包括图1中所示的计算机系统102——中执行的专用的硬件或软件。如所示，计算机系统102包括处理器110、存储器112、总线114、接口116和存储系统118。处理器110可执行产生经操纵的数据的一系列指令。处理器110可以是市场上可买到的处理器，例如Intel Pentium、MotorolaPowerPC、SGI MIPS、Sun UltraSPARC或Hewlett-Packard PA-RISC处理器，但可以是任何类型的处理器或控制器，因为许多其他的处理器和控制器是可用的。处理器110通过总线114连接到其他的系统元件，包括一个或多个存储器设备112。

存储器112可以用于在计算机系统102的操作期间存储程序和数据。因此，存储器112可以是相对高性能易失性随机存取存储器，例如动态随机存取存储器（DRAM）或静态存储器（SRAM）。然而，存储器112可包括用于存储数据的任何存储设备，例如磁盘驱动器或其他非易失性非临时存储设备。各种实施例可将存储器112组织成特殊的并且在一些情况下独特的结构，以执行本文所公开的方面和功能。

计算机系统102的组件可通过互连元件（例如总线114）被耦合。总线114可包括一个或多个物理总线（例如，被集成在同一台机器内的组件之间的总线），但可包括系统元件之间的任何通信耦合，包括专用或标准的计算总线技术，例如IDE、SCSI、PCI和InfiniBand。因此，总线114使通信例如数据和指令能够在计算机系统102的系统组件之间交换。

计算机系统102还包括一个或多个接口设备116，例如输入设备、输出设备和输入/输出设备的组合。接口设备可接收输入或提供输出。更具体地，输出设备可再现信息提供用于外部显现。输入设备可接受来自外部源的信息。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与外部实体例如用户和其他系统之间交换信息和通信。

存储系统118可包括计算机可读和可写非易失性非临时存储介质，定义由处理器执行的程序的指令被存储在该计算机可读和可写非易失性非临时存储介质中。存储系统118也可包括被记录在介质上或被记录在介质中的信息，并且该信息可通过程序来处理。更具体地，信息可存储在被特别配置为节省存储空间或增加数据交换性能的一个或多个数据结构中。指令可被持久地存储为编码的信号，并且指令可使处理器执行本文所述的任何功能。介质可以是例如光盘、磁盘或闪存等。在操作中，处理器或一些其他的控制器可使数据从非易失性非临时记录介质中读取到另一个存储器（例如存储器112）中，该另一个存储器比包括在存储系统118中的存储介质允许通过处理器对信息的更快访问。存储器可位于存储系统118中或在存储器112中，然而，处理器110可操纵存储器112内的数据，然后在处理完成后将数据复制到与存储系统118相关联的介质。多种多样的组件可管理介质和集成电路存储器元件之间的数据移动，并且实例不限于此。此外，实例并不限于特定的存储器系统或存储系统。

尽管作为例子将计算机系统102示为各个方面和功能可被实施的一种类型的计算机系统，但方面并不限于在如图1所示的计算机系统上实现。各个方面和功能可在具有与图1所示的不同的体系结构或组件的一个或多个计算机上实施。例如，计算机系统102可包括特别编程的专用硬件，例如适合于执行本文所公开的特定操作的专用集成电路（ASIC），而另一个实施例可使用运行具有Motorola PowerPC处理器的Mac OS System X的几种通用计算设备和运行专有硬件和操作系统的几种专用计算设备来执行相同的功能。

计算机系统102可以是包括操作系统的计算机系统，该操作系统管理在计算机系统102中所包括的硬件元件的至少一部分。处理器或控制器（例如处理器110）通常执行操作系统，该操作系统可以是例如可从微软公司购买的基于Windows的操作系统（例如Windows NT、Windows2000（Windows ME）、Windows XP或Windows Vista操作系统）、可从苹果计算机公司购买的MAC OS System X操作系统、许多基于Linux的操作系统分布中的一种（例如，可以从Red Hat有限公司购买的Enterprise Linux操作系统）、可从太阳微系统公司购买的Solaris操作系统或可从各种不同的源得到的UNIX操作系统。可使用很多其它操作系统，且例子不限于任何特定的实现。

处理器和操作系统一起定义计算机平台，可以用高级编程语言编写用于该计算机平台的应用程序。这些组件应用可以是使用通信协议（例如，TCP/IP）在通信网络（例如，因特网）上进行通信的可执行的中间的例如C-、字节码或解释代码。类似地，方面可使用面向对象的编程语言（例如Net、SmallTalk、Java、C++、Ada或C#（C-Sharp））来实现。也可以使用其他的面向对象的编程语言。另外，可以使用功能、脚本或逻辑编程语言。

此外，各个方面和功能可以在非编程的环境例如以HTML、XML或其他格式创建的文档中实现，当在浏览器程序的窗口中被查看时所述文档提供图形用户接口的方面或执行其他功能。另外，各种实施例可被实现为编程的或非编程的元件或其任何组合。例如，网页可使用HTML来实现，而从网页内调用的数据对象可以用C++编写。因此，实例不局限于特定的编程语言，并且任何合适的编程语言也可以被使用。另外，在至少一个实施例中，工具可使用VBA Excel来实现。

包括在一个实施例中的计算机系统可执行附加的功能。例如，系统的方面可使用现有的商业产品例如可从华盛顿州西雅图的微软购买的数据库管理系统例如SQL服务器、可从加加福尼亚州红木海岸的Oracle购买的Oracle数据库、和可从瑞典乌普萨拉的MySQL AB购买的MySQL、或如可从纽约州阿蒙克的IBM购买的集成软件例如Web Sphere中间件来实现。然而，运行例如SQL服务器的计算机系统可能能够同时支持本文所公开的方面和各式各样的其他应用的数据库。

示例性系统体系结构

图2示出了包括分布式系统200的物理和逻辑元件的总结构图。如所示，根据一个特定的实施例特别配置分布式系统200。关于图2描述的系统体系结构和内容仅用于示例性的目的，并且不是用来将实施例限制到图2所示的特定结构。如将对于本技术领域的普通技术人员明显的，很多不同的系统结构可被构造，而不偏离本文所公开的实施例的范围。在图2中所示的特定布置是为了促进清楚而选择的。

可使用任何技术使信息在图2所描绘的元件、组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、在存储器内的模块之间传递信息、以及通过写到文件、数据库、或一些其他的非易失性存储设备来传递信息。其他技术和协议可被使用，而不偏离本文所公开的实施例的范围。

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（例如数据中心设计师或其他数据中心的工作人员）与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可包括如在2008年5月15日提交的标题为“METHODS AND SYSTEMS FORMANAGING FACILITY POWER AND COOLING”的专利合作条约申请号PCT/US08/63675中所公开的地板编辑器和机架编辑器的方面，该专利申请通过引用被全部并入本文，并在下文中被称为PCT/US08/63675。在其他实施例中，接口204可使用专门的设施实现，专门的设施使用户202能够以拖放的方式设计包括数据中心或其任何子集的物理布局的表示的模型。此布局可包括数据中心结构组件——包括高架地板充气增压特征——以及数据中心设备的表示。如可在各种实施例中发现的接口204的特征将在下文进一步被讨论。在至少一个实施例中，将与数据中心有关的信息通过接口输入系统200中，并将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，可以执行优化过程以优化数据中心的冷却性能和能量使用。

如图2所示，数据中心设计和管理系统206将数据设计接口204提供给用户202。根据一个实施例，数据中心设计和管理系统206可包括如在PCT/US08/63675中公开的数据中心设计和管理系统。在这个实施例中，设计接口204可将PCT/US08/63675中包括的输入模块、显示模块和构造器模块的功能性合并，并且可使用数据库模块来存储和检索数据。

如所示，数据中心设计和管理系统206可通过网络208与数据中心数据库210交换信息。该信息可包括支持数据中心设计和管理系统206的特征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可包括在PCT/US08/63675中描述的数据中心设备数据库中所存储的数据的至少某一部分。在另一个实施例中，该信息可包括支持接口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、模型配置中所包括的冷却供应者的生产和分配特性、模型配置中的冷却消耗者的消耗特性、以及待包括在群中的设备机架和冷却供应者的列表以及其他信息。

在一个实施例中，数据中心数据库210可存储冷却供应者的类型、由每种类型的冷却供应者提供的冷空气的量、以及由冷却供应者所提供的冷空气的温度。因此，例如，数据中心数据库210包括额定为在华氏68度的温度、以5600cfm的速率输送气流的特定类型的CRAC单元的记录。此外，数据中心数据库210可存储一个或多个冷却度量，例如CRAC的入口和出口温度以及一个或多个设备机架的入口和出口温度。温度可以周期性地被测量并输入到系统中，或在其他实施例中，温度和气流可使用耦合到系统200的设备被连续地监测。此外，在一些实施例中，对于已安装的数据中心，来自一个或多个穿孔地砖的实际气流测量值可由系统使用来提高本文所描述的过程之一的准确度。仍然进一步地，在一个实施例中，测得的气流可被系统用来核对计算出的气流，并且当测量值与计算值之间的差超过预设的阈值时，警报可被发起以警告系统的操作者。

数据中心数据库210可采取能够在计算机可读介质上存储信息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以及其他结构。可使用唯一的和外来关键字关系和索引对数据建模。唯一的和外来关键字关系和索引可以建立在各种字段和表之间，以同时确保数据完整性和数据互换性能。

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的图2中所示的计算机系统每个可包括一个或多个计算机系统。此外，图2中的系统也可连接到数据中心中的一个或多个设备，包括冷却系统或电力分配系统的组件，以控制和监测这些系统。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中所描绘的系统200的特定配置仅用于说明的目的，并且实施例可在其他环境中被实施。因此，实施例不限于特定数目的用户或系统。

在现在将被描述的至少一个实施例中，提供了实时预测在整个数据中心中的气流的工具。该工具利用对数据中心建模并简化模型的分析的新方法来实时预测气流性能。实时或近实时预测性能的能力允许工具用于快速分析几种可能的解决方案，并考虑各种设计折衷。如下面进一步讨论的，工具可用作合并在数据中心设计系统中或被合并为数据中心管理系统的一部分的独立折衷工具。

势流法（PFM）

势流法是在一个实施例中用于计算数据中心气流模式的基于物理的技术。PFM在气流是不可压缩的和无旋的假设下操作。对于可被建模为不可压缩和无旋的气流，气流模式可从等式（1）中所示的泊松方程来确定。

其中S'''是每单位体积的体积流率源，并且

为与x、y和z速度分量相关的速度势，如在等式（2）所示的。

在源项不存在的情况下，等式（1）简化为拉普拉斯方程

无旋流动是无摩擦的，且因而气流沿空气-固体界面“滑动”。因此，符合PFM方法的气流边界条件是：1）在气流对象如机架和冷却器的表面处的规定的正常速度，2）在法线方向上没有气流“渗透”到固体表面中，以及3）平行于固体表面“滑动”。在PFM中不需要计算压力。然而，可以使用一种用于将压力耦合到气流预测的方法来对依赖于压力的某些流边界条件（例如穿孔地砖）进行建模。使用伯努利方程的一种这样的方法在2010年9月17日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR PREDICTINGPERFORATED TILE AIRFLOW IN A DATA CENTER”的美国专利申请号12/884832中被描述，该专利申请通过引用被全部并入本文。

一旦确定了气流速度，就可使用能量方程（3）来确定温度。

$\stackrel{\→}{V}\·\▿T=\mathrm{\α}{\▿}^{2}T---\left(3\right)$

其中，α＝k/(ρc_p)是热扩散率。在实践中，在方程（3）的右手侧的扩散项可以忽略不计而只支持占主导地位的对流项；但是，保留扩散项增加了额外的自由度α，该额外的自由度α可被“调整”以影响来自PFM的预测的准确性。

捕获指数（CI）度量提供了基本机架入口和排气口气流模式的定量测量，并且因此在评估PFM的预测的质量中是有用的。为了计算CI，我们必须跟踪机架和冷却器出口下游的被动质量物质的浓度。被表示为物质1的质量浓度C₁的质量物质方程——方程（4）与温度方程——方程（3）是类似的。

$\stackrel{\→}{V}\·\▿C_1=D{\▿}^2{C}_1---\left(4\right)$

其中D是进入主流体（空气）的物质C₁的质量扩散率。为了是“被动的”，假定物质C₁具有空气的属性，并且因此D代表进入空气中的空气的扩散率。与温度预测一样，在方程（4）的右手侧的扩散项可以忽略不计而只支持更占主导地位的对流项。但是，再次，D所提供的额外的自由度提供了进一步“调整”PFM预测的可能性。

这些方程可能看起来简单；但是，真正的数据中心应用的复杂的边界条件使方程的解析解不可能或非常困难并且不是很通用。在现在将被描述的一个实施例中，对问题的数值解使用有限差分法。根据该方法，待分析的物理问题空间被分成多个网格单元。在一些实施例中，单元的网格是结构化笛卡尔网格。在其他实施例中，网格是非结构化网格。非结构化网格可以提供显著的优势。例如，在一个实施例中，对数据中心气流的势流分析实现的二维非结构化笛卡尔网格方案对与具有相等或甚至小得多的平均尺寸的结构化网格单元提供实质上相同的结果。参照图4，下面进一步讨论用于自动生成非结构化网格的一个过程。

对于每个网格单元，系统地阐述方程（1）、（3）和（4）的代数近似。计算每个单元的中心（节点）处的标量值，例如速度势、温度和浓度，同时计算每个单元格表面处的速度。根据一个实施例，使用标准技术对这些标量值迭代地求解，该标准技术例如是在Advanced Engineering Mathematics（E.Kreyszig Seventh Edition.1993.John Wiley&Sons,NewYork.p.986）中所描述的高斯-赛德尔方法。在该方法中，与每个网格单元相关的未知数明确地写在方程的左手侧。为所有未知数进行初始猜测，然后通过又穿过所有的网格单元考虑每个方程来对猜测进行改进。对于每个网格单元方程，总是使用所有未知数的最近计算的值。解算器继续扫过所有的网格单元方程，直到未知数不再变化、收敛准则被满足或固定的迭代极限被达到为止。

在至少一个实施例中，在误差的测量值越过适当的数据中心标度（例如，用于质量平衡的总房间气流、添加到房间用于能量平衡的总能量和用于物质守恒的房间中的气流对象的数目的函数）的大约0.5%的阈值的情况下，收敛准则被满足。如本文所提到的，“气流对象”是具有气流入口或排气口的任何对象。气流对象的例子包括地砖、冷却器、机架、顶板回路和CRAC回路。误差的测量值可以是绝对误差的向量的任何范数：在所有的网格单元中的最大绝对误差、绝对误差的和、平方绝对误差的和的平方根等。所使用的阈值对于效率和准确度是非常重要的。非常难以达到的阈值将浪费计算资源和时间。弱阈值可提供不准确的流场。

根据一个实施例，计算机系统例如上面所述的数据中心设计和管理系统206实现PFM。图3示出了根据本实施例的PFM过程300。如图3的行动302中所示，计算机系统首先对网格单元的速度势方程迭代地求解，直到满足指定的质量平衡误差阈值，质量平衡误差阈值是总房间气流的函数。一旦确定了速度势场，计算机系统接下来就在行动304中确定速度。在行动306中，计算机系统使用计算出的网格单元边界速度对网格单元的温度方程迭代地求解，直到满足指定的能量平衡误差阈值，能量平衡误差阈值是添加到房间的总能量的函数。可选地，在行动306中，计算机系统可使用计算出的网格单元边界速度对网格单元的温度方程迭代地求解，直到机架负荷和冷却器回返负荷之间的差值满足添加到房间的总能量的指定误差阈值。在行动308中，计算机系统还使用计算出的网格单元速度对网格单元的物质守恒方程（如捕获指数所指示的）迭代地求解，直到满足指定的物质守恒误差阈值，物质守恒误差阈值是占用房间的气流对象的数目的函数。

在行动310中，计算机系统确定在行动306和308中使用的收敛准则是否得到满足。如果是的话，计算机系统终止过程300。如果不是，在行动312中，计算机系统配置行动302来执行额外数目的迭代，或紧缩质量平衡阈值并返回到行动302以执行额外的速度势迭代。以这种方式，过程300获得了额外的精度，以该精度重新执行行动304至308，从而提高收敛将在行动306和308中发生的可能性。因此，过程300提供了在适当的场合通过速度势方程采用多次迭代以提供准确和及时的结果的鲁棒方法。

数据中心的非结构化网格的自动生成

正如上面所讨论的，非结构化或可变的网格结构可以提供显著的计算优势。根据一些实施例，特别配置的计算机系统（例如上面所述的数据中心设计和管理系统206）实现在建模的数据中心房间内自动生成三维非结构网格的过程。图4示出了根据这些实施例的网格（即，计算网格）生成过程400。

如图4所示，执行过程400的计算机系统通过在行动402中读取代表数据中心房间的物理布局的信息而开始。此布局信息可代表与房间及容纳在其中的对象相关联的多种特性。这些特性的例子除了别的以外还包括房间尺寸、房间内用墙隔开的部分（在此称为切割部）、设备机架、部署在设备机架内的信息技术设备、CRAC、UPS、PDU、高架地板特性、房间内的穿孔地板以及行内冷却设备。

在行动404中，计算机系统将布局信息所描述的所建模的空间分配到单元的网格中。在一些实施例中，单元的这种网格是三维非结构化笛卡尔网格。在所示的实施例中，计算机系统构建具有长宽比为1（立方形的）的网格单元。此外，根据所示出的实施例，计算机系统给每个单元分配小的（代表在每个维度上约6英寸）、中等的（代表在每个维度上约1英尺）或大的（代表在每个维度上约2英尺）的尺寸。其他实施例可使用其他的网格结构和网格单元尺寸，并且实施例不限于特定的网格或网格单元结构。

此外，在行动404的一些实施例中，计算机系统使用修改的八叉树法分配网格单元，该方法开始于较大尺寸的单元，该较大尺寸的单元细分成较小的单元以便在需要时（例如靠近墙壁、气流对象、切割部、热源等）提供细化并提供从较小的单元到较大的单元的标准化过渡。在其他实施例中，计算机系统还对邻接于气流对象的入口或排气口、墙壁上的热源、切割部或非气流对象的单元使用更小的尺寸。这种方法确保在气流源和热沉附近维持一定的粒度级别。在行动406中，计算机系统丢弃落入对象或切割部内的网格单元。

非结构化网格内的场值的内插

非结构化网格可以提供对结果的逼真可视化的挑战。虽然非结构化网格（即，计算网格）提供流场和温度场的物理上正确的值，但是较大尺寸的单元与较小尺寸的单元的相互作用可以产生减损用户体验的不连续性。因此，在完成了基于网格的PFM分析后，一些实施例实现使网格单元之间的过渡平滑的技术。这些实施例描绘了气流和温度场的更直观的表示。图5示出了根据这些实施例的平滑过程500。

如图5所示，执行过程500的计算机系统通过将较大的网格单元（即，计算单元）分成较小的单元（即，可视化单元）而开始。构成“较大”和“较小”的东西可在实施例之间变化。比如，根据一个实施例，宽度为2英尺的网格单元可以被细分为具有6英寸的宽度的单元。在这种情况下，网格单元将具有8个内部单元和56个边界单元。在其他实施例中，为了平滑的目的，可以对宽度为1英尺或更小的网格单元进行细分，并且实施例并不限于使特定的网格单元尺寸平滑。

在行动504中，计算机系统确定将导致网格单元之间的渐进（平滑）过渡的值分配给单元。可以使用各种过程来确定这些值。比如，在一个实施例中，仅为边界单元确定值。根据本实施例，内部单元不受平滑过程500的影响。

此外，执行行动504的计算机系统可以使用多种方法计算边界单元的值，这些方法产生是边界单元的值和邻近单元的值的组合的值。例如，在一个实施例中，任何边界单元的值是其父网格单元的值和邻接该边界单元的其他网格单元的值的加权平均值。在这个例子中，给出特定的网格单元格的值的权重与该网格单元离边界单元的距离直接成比例。其他的实施例可采用其他的平滑计算，并且实施例并不限于特定的平滑计算。

在行动506中，计算机系统将变平滑的值分配给边界单元。接下来，计算机系统终止过程500。同过程500一样的过程使计算机系统能够显示由数据中心房间的PFM所确定的气流的变平滑的和用户友好的可视化。图12示出了在执行过程500之前的气流值的显示。图13示出了在执行过程500后的气流值的显示。

机架和冷却器的性能数据的可视化

根据一些实施例，计算机系统（例如上面所述的数据中心设计和管理系统206）实现了在3D工具内确定和显示数据中心设备（如机架和冷却器）的性能测量的过程。图6示出了根据该实施例的显示过程600。如图6所示，执行过程600的计算机系统在行动602中接收感兴趣的度量。对于机架，这些度量可包括平均入口温度、最大入口温度、负荷、总气流量、热通道捕获指数和冷通道捕获指数。对于冷却器，这些度量可包括平均回返温度、最大回返温度、负荷和总气流量。可接收其他数据中心设备的特性，并且实施例不限于特定度量或关于特定设备的度量。

在行动604中，计算机系统将度量存储在计算机可读介质上。在行动606中，计算机系统在显示器中显现度量。根据至少一个实施例，度量被显示在数据中心房间的三维表示以及适用于在整个数据中心房间中延伸的二维平面的额外场值（例如温度或气流）的平面表示中。图7示出了这个实施例。图8和图9示出了可由计算机系统根据过程600显示的基于平面的温度表示。图10和图11示出了可由计算机系统根据过程600显示的基于平面的气流表示。

图7显示了机架的最大入口温度700和冷却器的最大回返温度702。如图7所示，对象温度值被着色为与温度场值类似的标度，以提供房间冷却性能和气流管理的质量的指示。通过在3D视图中将这些测量值显示在对象上，实施例简化用户的体验，其否则很可能误解流场，以估计平均温度。

本文所描述的实施例提供了用于使用PFM确定数据中心内的气流的新颖的方法和系统。在本文所公开的实施例中准确地预测数据中心设计或管理工具中的气流的能力便于设计在不同的布局配置下的鲁棒冷却系统。另外，实施例便于在试图实现所需的冷却性能中避免在设施中的昂贵的试错法解决方案。更进一步地，在气流预测结果中的更好的精度导致改进的总数据中心冷却，并且可以提供更能量有效的冷却解决方案。在本文所描述的至少一些实施例中，气流被描述为由CRAC产生。本文所描述的系统和方法可以与其他类型的冷空气源——包括其他类型的冷却设备和风扇——一起使用。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。

在本文所讨论的至少一些实施例中，实时的评估和计算的执行是指在大约几秒钟或更少时间内而不是如在复杂计算例如涉及典型的CFD计算的那些计算所用的几分钟或更长时间内完成的过程。

在如上所述的至少一些实施例中，数据中心的设计和/或数据中心内的实际参数基于数据中心内的预测气流和冷却而改变。改变可被实现来提高冷却性能和/或可被实现来在性能被发现在预定规范内时提供成本和/或功率节约。例如，可改变冷却系统组件的配置和/或可改变冷却系统组件的类型。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，并且此外，如果与机架相关联的气流和冷却不足以提供足够的冷却，则一个或多个设备机架可被控制以降低功率。在如上所述的至少一些实施例中，提供了用于确定数据中心内的气流和冷却的工具和过程。在其他实施例中，工具和过程可在其他类型的设施中被使用，且也可在移动应用——包括移动数据中心——中被使用。

在描述了至少一个实施例的几个方面后，应当认识到，本领域的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进被规定为是本公开的部分，并且被规定为在本文所公开的实施例的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为例子。

Claims (20)

1.一种用于使用势流技术来预测数据中心内的气流的计算机实现的方法，所述方法包括：

由计算机自动生成非结构化网格，所述非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；

由所述计算机将所述数据中心的表示分成所述多个非结构化网格单元；

由所述计算机使用气流速度势确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；

由所述计算机使用所述气流速度值确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；

由所述计算机使用所述气流速度值确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及

由所述计算机计算比较结果，该比较结果指示所述多个非结构化网格单元的所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值是否满足收敛准则。

2.根据权利要求1所述的方法，其中自动生成所述非结构化网格包括：

生成多个计算网格单元，所述多个计算网格单元中的一些计算网格单元具有第一尺寸和第二尺寸中的一个，所述第一尺寸大于所述第二尺寸；

生成对应于所述多个计算网格单元的多个可视化单元；

将所述多个可视化单元中的具有所述第一尺寸的可视化单元分成具有所述第二尺寸的可视化单元的集合；以及

在可视化平面中显示所述多个可视化单元。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括基于所述多个可视化单元的子集中包括的多个可视化单元中的每一个的位置来为所述子集分配多个过渡值，所述子集包括至少一个边界单元和至少一个内部单元。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括从与所述至少一个边界单元相邻的所述至少一个内部单元的原始值计算所述至少一个边界单元的新过渡值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中计算所述新过渡值还包括计算与所述至少一个边界单元相邻的所述至少一个内部单元的所述原始值的标度。

6.根据权利要求3所述的方法，还包括将所述多个过渡值分配到所述多个可视化单元的所述子集以使预测的气流值和预测的温度值中的至少一个平滑。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

使用所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值确定至少一个度量；

存储所述至少一个度量；以及

在所述数据中心的图形表示中以叠加在多个机架和多个冷却器上的方式显示所述至少一个度量。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述数据中心的图形表示中在可视化平面中显示所述多个可视化单元中的每一个的所述预测的气流值和所述预测的温度值中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述比较结果还包括使用迭代法确定所述多个非结构化网格单元的所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中计算所述比较结果还包括执行所述迭代法直到所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值满足所述收敛准则为止，其中所述收敛准则包括机架的总功率值与冷却器的负荷值之间的差，所述机架和所述冷却器位于所述数据中心内。

11.一种用于使用势流技术来预测数据中心内的气流的系统，所述系统包括：

接口；以及

控制器，其被耦合到所述接口并被配置为：

自动生成非结构化网格，所述非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；

将所述数据中心的表示分成所述多个非结构化网格单元；

使用气流速度势确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；

使用所述气流速度值确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；

使用所述气流速度值确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及

计算比较结果，该比较结果指示所述多个非结构化网格单元的所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值是否满足收敛准则。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器还被配置为：

生成多个计算网格单元，所述多个计算网格单元中的一些计算网格单元具有第一尺寸和第二尺寸中的一个，所述第一尺寸大于所述第二尺寸；

生成对应于所述多个计算网格单元的多个可视化单元；

将所述多个可视化单元中的具有所述第一尺寸的可视化单元分成具有所述第二尺寸的可视化单元的集合；以及

在可视化平面中显示所述多个可视化单元。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制器还被配置为基于所述多个可视化单元的子集中包括的多个可视化单元中的每一个的位置来为所述子集分配多个过渡值，所述子集包括至少一个边界单元和至少一个内部单元。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制器还被配置为从与所述至少一个边界单元相邻的所述至少一个内部单元的原始值为所述至少一个边界单元计算新过渡值。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器还被配置为计算与所述至少一个边界单元相邻的所述至少一个内部单元的所述原始值的标度。

16.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制器还被配置为将所述多个过渡值分配到所述多个可视化单元的所述子集以使预测的气流值和预测的温度值中的至少一个平滑。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器还被配置为使用所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值确定至少一个度量并存储所述至少一个度量，并且所述接口还被配置为在所述数据中心的图形表示中显示所述至少一个度量，其中所述至少一个度量被叠加在多个机架和多个冷却器上。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述接口还被配置为在所述数据中心的图形表示中在可视化平面中显示所述多个可视化单元中的每一个的所述预测的气流值和所述预测的温度值中的至少一个。

19.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器还被配置为通过使用迭代法确定所述多个非结构化网格单元的所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值直到所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值满足所述收敛准则来计算比较结果，其中所述收敛准则包括机架的总功率值与冷却器的负荷值之间的差，所述机架和所述冷却器位于所述数据中心内。

20.一种计算机可读介质，其具有存储在其上的指令序列，所述指令序列包括将使处理器执行以下操作的指令：

自动生成非结构化网格，所述非结构化网格包括多个非结构化网格单元，每个非结构化网格单元具有一尺寸；

将所述数据中心的表示分成所述多个非结构化网格单元；

使用气流速度势确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的气流速度值；

使用所述气流速度值确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的温度值；

使用所述气流速度值确定所述多个非结构化网格单元中的每一个的浓度值；以及

计算比较结果，该比较结果指示所述多个非结构化网格单元的所述浓度值、所述气流速度值和所述温度值是否满足收敛准则。

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