CN104871159A - 利用增强型势流模型的流体动力学预测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于建模气流和温度的系统和方法。在一个示例中，该方法包括：接收与设施的物理布局相关的输入数据；通过计算机将该设施的表示划分为多个网格单元；基于该物理布局识别在该设施内在何处存在射流气流、热羽流和浮力中的至少一个的作用；如果射流气流和热羽流中的至少一个的作用存在于多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法为该多个网格单元的第一组指定速度值；通过计算机为多个网格单元的第二组中的每个计算气流速度值，第二组不同于第一组；对于在其中存在浮力作用的多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元，修改确定的气流速度；以及在存储装置上存储修改的气流值。

Description

利用增强型势流模型的流体动力学预测的系统和方法

背景

发明领域

根据本发明的至少一个实施例大体上涉及用于建筑物中的供暖、通风和空调系统以及数据中心的制冷系统的管理和设计的系统和方法。

相关技术的讨论

响应于基于信息的经济的增加的需求，信息技术网络在全球范围内继续扩散。这种增长的一种表现是集中式网络数据中心。集中式网络数据中心通常由提供网络连通性、电力和冷却能力的布置在结构中的各种信息技术设备构成。所述设备往往被容纳在称为“机架”的专用外壳中，该专用外壳集成这些连通性、电力和冷却单元。在某些数据中心配置中，这些行被组织成热的和冷的通道，以降低与冷却信息技术设备相关的成本。在地板下面具有气室的活动地板通常用于为机架提供冷却空气。冷空气通过具有露天区域的穿孔砖从气室分布到机架。

各种过程和软件应用，诸如可从罗德岛州西金斯敦的施耐德电气旗下的美国电力转换(APC)公司商购获得的数据中心管理系统，已被开发从而帮助数据中心工作人员来设计和保持高效且有效的数据中心配置。这些工具往往通过以下活动来指导数据中心工作人员，这些活动诸如设计数据中心结构、在安装之前在数据中心内定位设备、以及在构造和安装完成之后重新定位设备。因此，传统的工具集向数据中心工作人员提供标准化且可预测的设计方法。

另外，过程和软件应用已被开发用于供暖、通风和空调系统(HVAC系统)的一般建筑设计。HVAC系统可以使用多种管道以在整个建筑物散布经调节的空气。根据室内温度，HVAC系统可以调节经调节的空气到房间中的流动。用于设计HVAC系统的工具可以通过以下活动指导建筑设计师，这些活动诸如在识别空间内定位管道、格栅和散流器以便为该空间的用户提供舒适的环境。

发明内容

根据一个方面，用于建模气流的计算机实现方法包括：接收与设施的物理布局相关的输入数据；通过计算机将该设施的表示划分为多个网格单元；基于该物理布局，识别射流气流、热羽流和浮力中的至少一种的作用存在于该设施内的何处；如果射流气流和热羽流中的至少一种的作用存在于多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法指定用于该多个网格单元的第一组的速度值；通过计算机计算用于多个网格单元的第二组中的每个的气流速度值，第二组不同于第一组；修改用于在其中存在浮力作用的多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的确定的气流速度；估计在存储装置上存储修改的气流值。

在至少一个实施例中，多个网格单元的第一组是空组。在另一个实施例中，多个网格单元的第二组是空组。在该方法中，多个网格单元的每个可以包括多个面。在某些示例中，指定速度值可以包括指定用于多个面中的至少一个面的速度值。在其他实施例中，该方法还包括计算用于多个面中的至少另一个面的气流速度值。在至少一个示例中，指定速度值可以包括指定用于与热羽流对齐的面的速度值。在一个示例中，热羽流与垂直方向相关联。在另一个示例中，指定速度值可以包括指定用于与射流气流对齐的面的速度值。在一个示例中，射流气流与水平方向相关联。在其他实施例中，该方法还包括计算用于多个面中的至少另一个面的气流速度值。

在该方法中，计算气流速度值还包括使用势流法来计算气流速度值。在一个示例中，该方法还包括基于修改的气流值和指定的速度值中的至少一个来配置在设施内的设备。在另一个示例中，该方法还包括基于已修改的气流值和指定的速度值中的至少一个来评估用户在设施内的热舒适度。在再一个示例中，该方法还包括基于修改的气流值和指定的速度值中的至少一个来控制在设施内的设备。

在另一个示例中，该方法还包括：基于气流速度值通过计算机来计算用于多个网格单元中的每个的温度值。在该方法中，该设施可以包括在数据中心内的空间，以及在该物理布局中的物体包括至少一个设备机架和至少一个制冷供给设备。在该方法中，设施包括在建筑物内的空间，以及在物理布局中的物体包括至少一个通风结构和至少一个供暖设备。在该方法中，修改确定的气流速度值还可以包括：计算用于多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的浮力速度值，以及将浮力速度值添加到确定的气流速度值。

在该方法中，指定速度值还包括：计算用于设施内的影响区中的多个网格单元的第一组的任何一个网格单元的射流气流速度值，以及指定用于该影响区中的多个网格单元的第一组的射流气流速度值。在该方法中，指定速度值还可以包括：计算用于邻近设施内的物体的多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的晕圈单元速度值，以及指定用于邻近该物体所布置的多个网格单元的第一组的晕圈单元速度值。

在一个示例中，该方法还包括：使用迭代法来确定用于该设施内的网格单元中的每一个新的气流值，其中，该新的气流值满足质量平衡方程。在至少一个示例中，该迭代法使用基于物理的方法，该方法被配置为将非质量守恒气流场转换为质量守恒场，同时保存初始非守恒流场的主导特性。在某些示例中，该方法还包括：确定新的气流值与之前的气流值之间的差值是否大于阈值，以及重复该迭代法直到该差值不大于该阈值。

根据另一个方面，一种用于建模气流的系统，该系统包括：存储器和耦接于该存储器的处理器，该系统被配置为接收与设施的物理布局相关的输入数据；将该设施的表示划分为多个网格单元；基于该物理布局识别射流气流、热羽流和浮力中的至少一种的作用存在于该设施内的何处；如果射流气流和热羽流中的至少一种的作用存在于多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法来指定用于该多个网格单元的第一组的速度值；通过计算机计算用于多个网格单元的第二组中的每个的气流速度值，第二组不同于第一组；修改用于在其中存在浮力作用的多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的确定的气流速度；以及在存储装置上存储修改的气流值。

在至少一个实施例中，多个网格单元的第一组是空组。在另一个实施例中，多个网格单元的第二组是空组。在该系统中，多个网格单元中的每个可以包括多个面。在某些示例中，指定速度值可以包括指定用于多个面中的至少一个的速度值。在至少一个示例中，指定速度值可以包括指定用于与热羽流对齐的面的速度值。在一个示例中，热羽流与垂直方向相关联。在其他实施例中，该方法还包括计算用于多个面中的至少另一个面的气流速度值。在另一个示例中，指定速度值可以包括指定用于与射流气流对齐的面的速度值。在一个示例中，射流气流与水平方向相关联。在其他实施例中，该方法还包括计算用于多个面中的至少另一个面的气流速度值。

在一个示例中，该系统还被配置为使用势流法来计算气流速度值。在另一个示例中，该系统还被配置为基于修改的气流值和指定的速度值中的至少一个来配置在设施内的设备。在又一个示例中，该系统还被配置为基于修改的气流值和指定的速度值中的至少一个评估用户在设施内的热舒适度。在再一个示例中，该系统还被配置为基于修改的气流值和指定的速度值中的至少一个控制在设施内的设备。

在一个示例中，该系统还被配置为基于气流速度值来计算用于多个网格单元中的每个的温度值。在至少一个示例中，设施包括在数据中心内的空间，以及在物理布局中的物体包括至少一个设备机架和至少一个制冷供给设备。在另一个示例中，设施包括在建筑物内的空间，以及在物理布局中的物体包括至少一个通风结构和至少一个供暖设备。

在某些实施例中，该系统还被配置为通过计算用于多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的浮力速度值来修改确定的气流速度值，以及将该浮力速度值添加到确定的气流速度值。在其他实施例中，该系统还被配置为通过计算用于影响区中的多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的射流气流速度值来指定速度值，以及指定用于该影响区中的多个网格单元的第一组的射流气流速度值。

在一个实施例中，该系统还被配置为通过计算用于邻近设施内的物体的多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的晕圈单元速度值来指定速度值，以及指定用于邻近该物体所布置的多个网格单元的第一组的晕圈单元速度值。该系统还被配置计算用于该设施内的网格单元中的每一个的新的气流值，其中，该新的气流值满足质量平衡方程。在一个示例中，该系统还被配置为使用迭代法来确定用于该设施内的网格单元中的每一个的新的气流值，其中，该新的气流值满足质量平衡方程。在至少一个示例中，该迭代法使用基于物理的方法，该方法被配置为将非质量守恒气流场转换为质量守恒场，同时保存初始非守恒流场的主导特性。

根据另一个方面，公开了一种非暂时性计算机可读介质，其具有在其上存储用于建模气流的指令序列。在一个示例中，该非暂时性计算机可读介质包括指令，该指令将导致至少一个处理器接收与设施的物理布局相关的输入数据；将该设施的表示划分为多个网格单元；基于该物理布局识别射流气流、热羽流和浮力中的至少一种的作用存在于该设施内的何处；如果射流气流和热羽流中的至少一种的作用存在于多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法来指定用于该多个网格单元的第一组的速度值；通过计算机计算用于多个网格单元的第二组中的每个的气流速度值，第二组不同于第一组；修改用于在其中存在浮力作用的多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的确定的气流速度；以及在存储装置上存储修改的气流值。

附图说明

附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各图中示出的每个相同或近似相同的组件由相同的标号表示。为清楚起见，每个附图中并不是每个组件都被标出。在附图中：

图1是包括设计和管理系统的分布式系统的一个示例的示意图；

图2是根据一个实施例的使用网格单元的一个示例的示意图；

图3是根据一个实施例的用于确定气流和温度的一个示例过程的流程图；

图4是不同气流的一个表示的示意图；

图5是根据一个实施例的包括建模射流气流的房间的一个布局的示意图；

图6A是包括邻近发热块布置的晕圈单元(halo cell)的一个发热块的示意图；

图6B是包括具有根据一个实施例所指定的垂直气流的建模晕圈单元的一个发热块的示意图；

图7A是根据一个实施例示出使用晕圈单元的垂直气流规格的曲线图；

图7B是发热块的3D表示的示意图；

图7C是包括面A、B、C的发热块的2D表示的示意图；

图8是根据一个实施例的用于映射步骤方法的一个示例过程的流程图；

图9A是具有边界条件的区域的示意图；

图9B是包括初始非质量守恒气流场的区域的示意图；

图9C是包括质量守恒气流场的区域的示意图；

图10是根据一个实施例的在其中建模气流的3D房间的一个布局的示意图；

图11A是使用CFD方法确定的温度值的示意图；

图11B是使用PFM方法确定的温度值的示意图；

图11C是根据一个实施例的使用E-PFM方法确定的温度值的示意图；

图12A是使用CFD方法确定的气流值的示意图；

图12B是使用PFM方法确定的气流值的示意图；

图12C是根据一个实施例的使用E-PFM方法确定的气流值的示意图；

图13是根据一个实施例的在其中建模温度和气流的数据中心的六个布局的示意图；

图14A是比较使用E-PFM和PFM方法所计算的平均进气温度的平均精度的曲线图；

图14B是比较使用E-PFM和PFM方法所计算的最大进气温度的平均精度的曲线图；

图15是比较使用E-PFM和PFM方法所计算的六个布局中的每个布局的平均精度的曲线图；以及

图16是根据本发明的各个方面可以借此实施的计算机系统的一个示例的框图。

具体实施方式

根据本发明的至少某些实施例涉及用户可以借此设计和分析数据中心配置和建筑物HVAC系统的系统和过程。这些系统和过程可以通过允许用户创建建筑物HVAC系统的模型来帮助设计和分析活动，其中通过该模型可以计算温度和气流。系统和用户两者均可以采用所计算的温度和气流来设计用于为用户提供舒适度的建筑物HVAC系统的替代配置和满足各种设计目标的数据中心配置。根据一个实施例，本文描述的系统和方法也可以应用于其他应用，包括电子设备冷却应用和室内环境应用，该室内环境应用包括洁净室、工业应用、实验室、医院和手术间。

应当理解，通过美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)以及其他组织可得到的简单手工计算和HVAC设计工具往往用于为个体空间设计确保居住者健康和舒适度的建筑物HVAC系统。例如，个体空间可以包括在办公楼中的办公室、小隔间或共享空间。不过，此类工具通常基于可能不包括每个个体空间的具体细节的估算和经验模型。因此，当前可用的HVAC设计工具是有意保守的。因此，使用此类工具设计的HVAC系统往往是不必要的过度设计和不必要的昂贵。

为了精确预测个体空间的性能，计算流体动力学(CFD)分析有时候用于仿真影响居住者舒适度、建筑物能耗和其他建筑物特性的气流型态、温度和其他因素。这种信息可以用于估算各个HVAC和自然通风系统设计的有效性并评估随之而来的室内舒适条件。不过，CFD是非常昂贵的，需要专业操作员，并可根据操作员和针对任何给定CFD程序包的底层物理模型来提供不一致的预测。

至于数据中心应用，CFD仍然是预测气流和温度的最广泛使用的工具。不过，由于CFD的缺陷，在某些工具中，势流建模(PFM)分析最近已取代CFD来使用。类似于CFD，PFM提供气流、温度和其他变量的完整范围的完全3D预测。PFM方法在2011年12月15日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR RACK COOLING ANALYSIS”的、编号为PCT/US2011/065071的专利合作条约申请(在本文称为“PCT/US2011/065071申请”)；以及在2012年3月23日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR PREDICTING FLUID DYNAMICS INA DATA CENTER”的、编号为PCT/US2012/030373的专利合作条约申请(在本文称为“PCT/US2012/030373申请”)中描述，上述每个申请被受让给本申请的受让人，并且上述每个申请的全部内容通过引用并入本文。

在PCT/US2011/065071申请中描述的PFM方法实时预测通过数据中心内的设备机架的进气口和出气口的气流。实时或准实时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折衷。与CFD不同，PFM方法基于流体流动的更简单的物理模型，该模型可以提供几个优点，包括对于一些实际3D应用的相对简单的开发和维护以及相对快速的接近实时。PFM方法可以被表征为稳定的，因为其持续产生合理的结果。另外，PFM方法易于使用，因为其不需要专业操作员。

但是，在实现这些优点时，PFM方法可能忽略某些物理效应，诸如射流状气流型态。因为PFM方法通常用于数据中心应用中，建模射流状气流的能力通常不是数据中心所关注的。主要是因为射流状气流通常只发生在特定场合中，诸如例如，来自单个机架或隔离的穿孔砖的射流。对于其中许多砖和许多机架彼此相邻安置的实际设定，组合源产生更均匀和更少射流状的流动型态。例如，在热空气上升到数据中心顶部的情况下，PFM方法还可以忽略包括浮力的其他物理效应。在数据中心设计中说明浮力对于精确建模气流是重要的，具体地是因为服务器设计具有倾向于更高功率和更少气流的趋势。在建筑物设计应用中，射流状流动型态、热晕的效果以及浮力的效果是特别重要的。因为PFM方法对于在其中浮力和射流状流动明显的一般建筑物实例可能不是那么精确，因此PFM方法对于一般建筑物设计应用需要加强。

因此，为满足一般建筑物设计共同体的需求，存在对于说明浮力、射流状气流和物体周围的附加加热的快速、简单和稳定的工具的需求。本文公开的增强型PFM(E-PFM)模型减轻了PFM方法的前述限制同时保留其优势。根据各个实施例，通过说明射流状流动和浮力，E-PFM可以满足一般建筑物设计应用的需求并提供相对简单和稳定的解决方案。在各个示例中，E-PFM的产生解决方案的时间仅接近于PFM的两倍，等于CFD解决方案时间的小部分。

根据本实施例在本文公开的多个方面并不将其应用局限于在下面具体实施方式中阐述的或在附图中示出的构造细节和组件布局。这些方面能够假设其他实施例并能够以各种方式来实践或实施。在本文提供的特定实施的示例仅用于说明目的，且并不旨在进行限制。具体地，结合任何一个或多个实施例所讨论的行为、元件和特征并不旨在排除任何其他实施例中的类似角色。

例如，根据本发明的一个实施例，计算机系统被配置成执行本文所述的任何一个功能，包括但不限于配置、建模和呈现关于特定数据中心配置的信息。此外，在实施例中的计算机系统可以用于自动地测量数据中心或建筑物中的环境参数以及控制设备(诸如冷凝器或冷却器或加热器)以优化性能。而且，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一个功能。因此，实施例并不限于特定功能或特定一组功能。而且，本文所用的短语和术语用于描述目的，且不应被看作是限制。在本文中对于“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”和“包含(containing)”、“涉及(involving)”及其变体的使用意指包含在其后面列出的各项及其等效体以及另外的项。

示例系统体系结构

图1示出包括分布式系统100的物理和逻辑元件的关系图。如图所示，分布式系统100根据当前所公开的实施例来具体配置。关于图1详述的系统结构和内容仅用于示例性目的，并不旨在将实施例限制在图1中示出的特定结构。在没有脱离当前所公开的实施例的范围的情况下，可以构造许多变体系统结构，这对于本领域中的其中一名普通技术人员来说是显而易见的。图1中示出的特定布置被选择是为了提升清晰度。

信息可以使用任何技术而在图1中示出的元件、组件和子系统之间流动。此类技术包括例如经由TCP/IP在网络上传递信息，在存储器的模块之间传递信息，以及通过写入文件、数据库或某些其他非易失性存储装置来传递信息。在没有脱离当前所公开的实施例的范围的情况下，可以使用其他技术和协议。

参考图1，系统100包括用户102、界面104、设计和管理系统106、通信网络108以及数据库110。系统100可以允许用户102(诸如，数据中心架构师或一般建筑物设计师)与界面104交互以创建或修改修改一个或多个数据中心或一般建筑物配置的模型。

在现代数据中心中，设备机架和排式冷却器通常以交替的前/后布置成排的布置，从而在数据中心中创建交替的热通道和冷通道，其中每排机架的前面面向冷通道且每排机架的后面面向热通道，如在2008年1月24日提交的题为“System and Method for Evaluating Equipment Rack Cooling”的编号为12/019,109的美国专利申请，现为美国专利7,991,592中所述；以及如在2006年1月27日提交的题为“Methods and Systems for ManagingFacility Power and Cooling”的编号为11/342,300的美国专利申请，现为美国专利7,881,910中所述；上述申请中的每个被受让给本申请的受让人，并且上述申请中的每个申请的全部内容通过引用并入本文。典型的设备机架将冷空气吸入机架的前面并从机架的后面排出空气。在本文的描述中，机架中的设备或机架本身可以被称为冷却消费者，而排式冷却单元和/或机房空调(CRAC)可以被称为制冷供给设备。在所引用的应用中，工具被提供用于分析数据中心中的机架群集的冷却性能。在这些工具中，多种分析可以在不同的布局上执行以尝试优化数据中心的冷却性能。

根据一个实施例，界面104可以包括数据中心地板编辑器或机架编辑器的方面，如在2008年5月15日提交的题为“METHODS AND SYSTEMSFOR MANAGING FACILITY POWER AND COOLING”的编号为PCT/US08/63675的专利合作条约申请中所公开的，该申请的全部内容通过引用并入本文(在本文称为“PCT/US08/63675申请”)。在其他实施例中，界面104可以利用专用设备来实施，其使得用户102能够以拖放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。这个布局可以包括数据中心结构组件以及数据中心设备的表示。界面104的特征在下面进一步讨论。在至少一个实施例中，关于数据中心或建筑物基础设施的信息由系统100通过界面来接收，并且数据中心的评估和建议被提供给用户。此外，在至少一个实施例中，优化过程可以被执行以优化建筑物和/或数据中心的冷却性能以及能源使用。

在一般建筑物应用中，用于个体房间或空间的HVAC系统可以包括空气通过其被供应的进气口以及空气通过其再循环到HVAC系统的回风口。个体房间可以被建模以包括在任何数量的配置中的进气口和回风口，例如在房间底部和顶部上。个体房间还可以被建模以包括通常定位在房间中的物体，诸如书桌、计算机、椅子或人体。这些物体可以被建模以产生热量并阻止通过房间的空气流动。

如图1所示，设计和管理系统106向用户102呈现设计界面104。根据一个实施例，设计和管理系统106可以包括如在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，设计界面104可以包含在PCT/US08/63675中包括的输入模块、显示模块和建造者模块的功能，并且可以使用数据库模块以存储和检索数据。

如图所示，设计和管理系统106可以经由网络108与数据库110交换信息。这个信息可以包括支持数据中心设计和管理系统106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110可以包括如PCT/US08/63675所描述的存储在数据中心设备数据库中的数据的至少某些部分。在另一个实施例中，这个信息可以包括支持界面104所需的任何信息，诸如，除了其他数据之外，一个或多个数据中心模型配置的物理布局、包括在模型配置中的制冷供给设备的产品和分布特性、模型配置中的冷却消费者的消费特性以及包括在群集中的设备机架和制冷供给设备的列表。

在一个实施例中，数据中心数据库110可以存储属于制冷供给设备类型的信息，由每个类型的制冷供给设备提供的冷却空气量，以及由制冷供给设备提供的冷却空气的温度。因此，例如，数据中心数据库110包括属于特定类型的CRAC单元的记录，其在68华氏度处额定为在每分钟5600立方英尺(cfm)的速率处输送气流。另外，数据中心数据库110可以存储属于一个或多个冷却度量的信息，诸如CRAC的进气口和出气口温度以及一个或多个设备机架的进气口和排气口温度。温度可以被定期测量并输入到系统中，或在其他实施例中，温度可以使用耦接于系统100的装置来连续监测。

数据中心数据库110可以采用能够在计算机可读介质上存储信息的任何逻辑构造的形式，除了其他结构之外，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。数据可以使用唯一键和外键的关系和指标来建模。唯一键和外键的关系和指标可以在各个字段和表之间建立，以确保数据完整性和数据交换的性能。

在图1中示出的计算机系统中的每种可以包括一个或多个计算机系统，其中，该计算机系统包括设计和管理系统106、网络108和数据库110。如以上关于图1所讨论的，计算机系统可以具有一个或多个处理器或控制器、存储器和界面装置。在图1中描述的系统100的特定配置仅用于说明目的，并且本发明的实施例可以在其他背景下实践。本文所述的实施例并不局限于特定数量的用户或系统。

势流建模(PFM)

预测气流、温度和其他数据中心性能度量的PFM方法参考PCT/US2012/030373申请来讨论。势流法是在一个实施例中使用的基于物理的技术，以确定结构化网格布置的单元中的速度势和温度。图2示出2D均匀的、结构化网格布置200，具有拥有尺寸Δx的邻近网格单元202、204、206和208。气流可以进入或离开网格单元的每侧；附加的气流可以添加到网格单元或从网格单元减去。不过，其他网格方案可以被实施以用于计算效率，并且实际仿真可以在3D中执行。

总的来说，PFM方法将气流理想化为不可压缩和无旋的，其中，流场可以从泊松方程确定：

其中，S”'是每单位体积的体积流率源，以及φ是速度势。φ速度势与速度的x、y、z分量的关系如下：

当如图2所示被离散化以用于在计算网格上的数值计算时，在任何网格单元i的速度势可以被写为：

可以获得在每个网格单元对于φ_i的一个此类方程，并且整个组可以同时被解出。如在PCT/US2012/030373申请中讨论的，图2示出在其中像速度势和温度的标量值在单元中心处计算而速度在单元面处计算的交错网格。一旦速度势被确定，则速度可以从用于离散化计算网格写出的方程(2)的近似形式确定。

在使用PFM计算气流时不需要压力计算。不过，用于将压力耦合到气流预测的方法可以用于基于压力来建模特定的流量边界条件，诸如穿孔砖。使用伯努利方程的一个此类方法在2011年9月16日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR PREDICTING PERFORATED TILEAIRFLOW IN A DATA CENTER”的编号为PCT/US2011/051866的美国专利申请中描述，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。一旦气流速度被确定，则温度可以使用能量方程(4)来确定。

$\stackrel{\→}{V}\·\▿T={\mathrm{\α}}_t{\▿}^{2}T---\left(4\right)$

其中，α_t＝k/(Uc_p)是热扩散率。在实践中，在方程(4)的右手侧的扩散项能够在有利于主导的对流项时被忽略；不过，保留扩散项添加了附加自由度α_t，该自由度可以被“调谐”以影响PFM的预测的精度。

上述的PFM方法将待分析的物理问题空间划分为若干网格单元。在某些示例中，采用结构化笛卡儿网格。在其他示例中，网格未被结构化。用于自动生成非结构化网格和在非结构化网格内进一步内插字段值的方法和系统在PCT/US2012/030373申请中讨论。

增强型PFM

如上所述，增强型PFM是设计成提高在PCT/US2012/030373申请中讨论的PFM仿真的精度的方法。PFM通过向下面描述的包括射流模型的基本PFM方法、晕圈单元速度方法以及浮力校正方法添加一个或多个校正方法来增强。在本文所述的实施例中，射流模型和晕圈单元速度方法施加势流的物理性质没有捕获的流动型态。通过在PFM模型中指定固定流动，射流和浮力羽流可以在PFM内产生。相反，在本文所述的实施例中，浮力校正方法将在每个单元处的浮力的计算与创新映射步骤耦合以实现质量平衡并进一步实现恰当的气流和温度场。应当理解，射流模型和晕圈单元速度方法可以在解决初始PFM模型之前被实施。另外，与浮力校正相关联的映射步骤可能需要除了PFM模型以外的另一组方程的解决方案，如下面所述。

在本文所述的某些实施例中，增强型PFM使用凭经验确定的速度作为内部边界条件。传统上，速度只在流体固体界面处被指定或固定，并且在流体内部中的所有速度被计算。例如，在使用传统方法时，可以指定在供应格栅、设备机架进气口或出气口处的速度。相反，在本文所述的各个实施例中，使用增强型PFM方法的计算机系统指定与晕圈单元和射流模型相关联的内部速度以凭经验地包括未在PFM中固有建模的物理效应，诸如射流、热晕和浮力的效应。

根据一个实施例的E-PFM方法300的概述在图3中示出。根据一个示例，诸如上述的数据中心和管理系统106的计算机系统实施E-PFM方法。示例方法300包括全部三种校正方法，包含射流模型校正、晕圈单元校正和浮力校正。应当理解，方法300包括一般情况，并且并不是所有的三个(射流、晕圈单元和浮力)校正可以被实施用于每个应用。具体地，在一个实施例中，计算机系统可以只执行射流气流校正方法。例如，用户可能想在一般建筑物应用的房间中建模通风。在另一个实施例中，计算机系统可以只执行晕圈单元校正方法。在又一个实施例中，计算机系统可以只执行浮力校正方法。应当理解，计算机系统可以执行射流、晕圈单元和浮力方法的任何组合。

在一个实施例中，计算机系统可以确定是否需要执行校正方法或者哪一个校正方法需要被执行。在一个示例中，用户输入信息到通过设计和管理系统106呈现的界面104中，该信息指定需要所有方法或其中的任一方法的性能的条件。例如，用户可以指定计算机系统从而说明设施内的物体，其起到热量产生者的作用，诸如计算机和人体。在这个示例中，计算机系统可以执行晕圈校正方法以说明这些产生热量的物体的存在。

在其他示例中，计算机系统可以确定条件的存在或不存在并实施对应的校正方法。例如，计算机系统可以通过关于数据中心布局的信息确定隔离的穿孔砖的存在并确定射流模型校正方法需要被执行。

方法300还可以包括接收表示已识别区域的物理布局的信息的步骤。这个布局信息可以表示与该区域以及容纳在其中的物体相关联的各种特性。除了其他之外，这些特性的示例包括区域的尺寸、在该区域内的隔开部分(在本文称为阻断部分)、在该区域中的物体(诸如书桌、椅子、计算机、人体)、以及属于设备机架的信息、在该设备机架内采用的信息技术设备、CRAC、UPS、PDU、活地板特性、房间中的穿孔砖和排式冷却设备。表示物理布局的信息可以由用户输入到通过设计和管理系统106呈现的界面104中，或由计算机系统从包含属于该布局的信息的存储装置访问。

在步骤302中，如果射流状流动被确定存在，则计算机系统将射流速度与其他边界条件一起施加在流场中。如上所述，射流状流动可以基于建筑物的物理布局或基于用户的输入被确定存在。在某些示例中，射流状流动与供应散流器、独立式机架和其他气流供应者相关联。边界条件可以包括房间进气和出气流、机架送风口和排风口以及其他边界。如上所注意的，如下所述使用射流气流校正方法确定的射流气流速度可以在使用初始PFM模型确定气流速度值之前来规定。在至少某些示例中，射流气流速度可以在先前未指定或未确定的值之上被指定。在其他示例中，射流气流速度可以替代零气流速度值。在另外的其他示例中，如果气流速度值已使用其他方法确定，那么射流气流校正方法可以替代使用那些方法确定的气流速度值。

在步骤304中，计算机系统在使用初始PFM模型确定的速度值之上将速度施加到邻近热量产生物体的晕圈单元中。根据某些实施例，晕圈单元和速度值的确定在下面参考图4和图5来描述。在一个示例中，晕圈单元包括邻近固态物体的计算单元。计算机系统可以确定和指定(固定)晕圈单元中的速度以对环绕固态物体的热驱动浮力羽流建模。在某些示例中，固态物体可以包括位于设施内的人员、计算机和数据中心设备。指定的晕圈速度可以通过文献中现有的分析或经验方程来确定，或如下所述可以从CFD凭经验确定。

在一个示例中，如下所述使用晕圈单元校正方法确定用于晕圈单元的气流速度可以在使用初始PFM模型确定气流速度值之前来规定。在至少某些示例中，被确定用于晕圈单元的气流速度可以在未指定或未确定值之上被指定。在其他示例中，被确定用于晕圈单元的气流速度可以替代零气流速度值。在另外的其他示例中，如果气流速度值已使用其他方法确定，那么晕圈单元气流校正方法可以替代使用那些方法所确定的气流速度值。

在一个实施例中，每个网格单元具有在每个面上的速度值；在2D模型中的四个面具有四个速度，以及在3D模型中的六个面具有六个速度。通过晕圈校正，在至少一个实施例中，计算机系统指定与浮力羽流(垂直方向)对齐的速度分量。通过射流校正方法，计算机系统指定与供应面(水平方向)正交的速度分量。速度的其他分量可以处于“自由”的状态，以便由计算机系统使用PFM方法在步骤306中计算。速度的这些“自由”分量可以通过映射步骤312来潜在地修改，如下所述。在步骤306中，计算机系统执行PFM方法以获得气流场，如在PCT/US2012/030373申请中描述并如上所概述的。在一个示例中，计算机系统首先求解网格单元的速度势方程，直到满足指定的质量守恒误差阈值，该质量守恒误差阈值是总房间气流的函数。一旦速度势场被确定，则计算机系统接下来确定速度。

在步骤308中，计算机系统使用温度解算器确定温度值，如在PCT/US2012/030373申请中所述。在一个实施例中，计算机系统使用已算出的网格单元边界速度来迭代求解网格单元的温度方程，直到满足指定的质量守恒误差阈值，该质量守恒误差阈值是添加到房间的总能量的函数。另选地，计算机系统可以使用已算出的网格单元边界速度来迭代求解网格单元的温度方程，直到机架负载与冷却器回路负载之间的差值满足添加到房间的总能量的指定误差阈值。在至少某些示例中，确定温度值可以是可选的。

在步骤310中，计算机系统应用浮力校正方法，该方法基于局部单元温度向每个内部网格单元添加附加的速度。在步骤310中的浮力校正可以扰动流场的质量守恒性质。因此，在步骤312中，映射步骤被执行以校正质量失衡。与射流气流和晕圈单元校正方法互补，使用浮力校正方法的计算机系统调节除了射流或晕圈单元速度被指定的区域以外的每个地方的流场。而且，不同于其他两种校正技术，浮力气流速度被添加到(而不是替代)使用PFM方法通过计算机系统预测的速度。计算机系统可以在步骤314中基于使用浮力校正方法所确定的气流速度值，选择性地确定每个网格单元的温度。

最终，在步骤316中，计算机系统应用多个浮力校正，其中每个浮力校正遵循映射步骤312，直到获得质量守恒流场。浮力校正步骤310、温度解算器312和映射步骤314可以被重复任意次。在某些示例中，步骤310、312和314可以被重复设定次数，其中一个步骤提供最少计算时间。

根据某些示例，诸如上面所述的设计和管理系统106的计算机系统可以使用2D或3D可视化工具来实施确定和显示以上在方法300中所确定的气流和温度值的过程。根据至少一个示例，温度和气流值可以通过诸如数据中心或建筑物中的房间的区域延伸的2D横截面积中显示。在其他示例中，温度和气流值可以在跨越区域的3D表示内的区域延伸的2D平面中显示，如在PCT/US2012/030373申请中进一步描述。

指定的射流气流

来自在步骤302中确定的射流状流动的射流速度在下面参考图4和图5来描述。图4示出在理想化房间400中的射流气流与径向气流之间的概念上的差异。空气可以通过各种类型的进气口(诸如，例如顶棚空气散流器和格栅)供应给房间。

由于动量，接近进气口和(或送风口)的气流型态并不仅仅是接近在其中流动被相当均匀地从各个方向抽出的出气口(或回风口)的反转。相反，进气口气流402是射流状的，如图4中的射流406所示。在一个示例中，射流状气流是沿着流动轴408的中心线的速度为高且相当恒定的气流。另外，气流型态跨越射流边界仅最小地发散并且保持速度急剧上升。上述的PFM方法不直接说明气流的动量，并因此在进气口404处产生径向型态410，如图4所示。射流状气流通常在一般建筑物应用中可以看到，并且在某些示例中，也可在数据中心观察到。如下面所述的射流气流校正方法通过在结果仿真中指定刚好在空气供给下游的气流来凭经验规定修改射流状流动型态。

图5表示在办公空间中的理想化房间500的显示，其包括各种物理物体，诸如书桌、人体和计算机。气流通过进气口502进入，并且可以至少部分通过回风口504去除。在一个示例中，区域506表示与气流射流相关联的影响区。该影响区包括若干单元，每个单元具有与其相关联的速度。通过使用一组射流公式，能够确定全部射流中的平行于射流方向的影响区内的单元的速度。在一个示例中，影响区可以通过确定在其中速度大于使用PFM模型所确定的初始射流速度的20％的单元来确定。使用下面所述的射流模型中的一种模型所确定的影响区内的速度值可以被施加于数值气流仿真中。

在各个示例中，计算机系统可以将预定义的射流边界单元视为沿着主流动轴的固定速度边界，并随后计算剩余流场以生成质量守恒的气流场。如果射流气流碰撞，那么指定的射流速度可能在某些单元中重叠。速度可以在彼此在顶部叠加并且由此产生的速度可以由简单代数计算。PFM解算器随后通过实施质量守恒而自动地捕获剩余流场。

射流状流动可以使用在E-PFM方法内可使用的一个或多个模型通过计算机系统来指定。在一个实施例(诸如地板/顶棚充气室(floor/ceilingplenum)应用)中，计算机系统使用2D射流模型。2D射流被建模为源自域边界外面的虚拟点的气流的线源，如图4所示。如图5所示的2D射流气流型态可以随后使用由A.,Bejan在1984年在纽约的约翰·威利父子出版公司发表的“对流传热”中描述的标准方法来分析确定。该过程包括利用适合于射流特征的简化形式写出2D动量方程。这个方程能够以闭型解出以产生射流轴气流速度。在垂直于流动轴的方向上的气流速度可以从已知的射流轴速度和质量守恒来确定。

在另一个实施例中，为了建模3D房间(办公室、数据中心等)，计算机系统可以使用3D射流模型。简化的等温轴对称3D射流模型是最实际的，在该模型中，射流供给气温等于环境房间气温，并且射流速度分布图是沿着射流方向是对称的。3D射流模型在由Huo,Y.、Zhang,J.、Shaw,C.和Haghighat,F.在1996年的Proc.of ROOMVENT’96的卷二的第233-240页发表的“A New Method to Describe the Diffuser Boundary Conditions in CFDSimulation”中进行了描述。

在再一个实施例中，当射流被附着到表面并且射流气流受附近的障碍物(例如，墙壁)影响时，应当使用“附着射流”模型。计算用于等温附着射流的速度的方法在由Verhoff,A.于1963年在普林斯顿大学的报告626所发表的“The Two-dimensional Turbulent Wall Jet with and without an External  Stream”中进行了描述。

在又一个实施例中，计算机系统可以从在各种实际应用的CFD仿真中生成的经验模型中获得有效射流。为了训练用于射流状气流的经验模型，仿真可以在不同条件下执行，诸如排放速度、射流大小、射流方向、接近墙壁和其他物体等。沿着射流方向的速度场将被监测，并通过例如调谐与速度场相关联的系数来用于生成和训练经验模型。该经验模型可以随后被并入PFM解算器中以指定在计算域中的射流速度分布图，类似于上述的其他射流模型。

指定的晕圈单元速度

在步骤304中所确定的晕圈单元速度在下面参考图6和图7来描述。在PCT/US2012/030373申请中描述的使用PFM方法的计算机系统可以不包括由附近物体生成的热量所驱动上升的热羽流。这些物体可以包括诸如计算机、人员、PDU以及其他物体的任何物体。在本文所述的实施例中，为了增加气流解算器的精度，晕圈单元模型用于并入浮力效果。

应当理解，通过物体所加热的环境空气由于浮力而上升，并因此产生接近空气-固体边界的附加速度增加(或“突跳(kick)”)。为了建模热羽流，引入晕圈单元的概念。在一个示例中，晕圈单元可以包括紧挨着环绕发热物体的计算单元。所有晕圈单元的速度可以根据经验公式来计算，并且垂直速度场(与浮力对齐)可以在PFM解算器开始前被规定为边界条件。图6A和6B示出物体600，其被表示为发热块并包括晕圈单元602和604。图6A示出没有指定的垂直气流的晕圈单元602，而图6B示出具有指定的垂直气流场的晕圈单元604。晕圈单元604中的每一个具有位置，并且垂直气流场中的每一个具有速度V_h。在一个示例中，根据到地板的距离，晕圈单元的位置通过该单元(y)的高度来定义。

类似于上面计算的射流气流，使用PFM方法的计算机系统可以将晕圈单元速度视为固定的速度边界。使用晕圈单元速度方法的计算机系统确保正确的y-速度场被保存在发热块附近，并随后使用PFM解算器来计算剩余的流场。正如射流模型，在指定的速度“周围”的PFM解决方案自动地产生恰当的质量守恒场。

为了确定经确定用于晕圈单元的速度“突跳”的模型，新的经验模型被定义使用CFD仿真以用于有效建模并训练在晕圈单元中的浮力效应。通常，CFD模型包括置于空房间中心的发热物体，该空房间是敞开的或者具有充分远离该物体的对称边界。房间大小和顶棚高度被改变以捕获不同房间配置的特性。不同形状和功率电平也被建模以仿真不同类型的热生成物体，诸如计算机、人体或PDU。

晕圈单元中围绕发热块的速度被监测。图7示出在图6B的晕圈单元中的垂直气流规范的一个示例。在图7中示出的示例中，代表性的晕圈单元速度是接近水平平面中的人体的位置(A、B或C位置)的函数或是地板之上高度(y-轴)的函数。计算晕圈单元速度的示例表达式可以被如下定义：

$V_h=C_1{y}^{C_2}---\left(5\right)$

其中，V_h(m/s)是晕圈单元速度，y(m)是到地板的距离，C₁和C₂是常数，该常数根据房间的配置和发热物体的特性而改变。例如，对于表示典型办公室中的人体(具有1.8m²的表面积)的发热块，常数C₁和C₂可以计算为:

C₁＝0.0003×P+0.047

C₂＝0.62

其中，P是发热块所产生的功率(W)。

如图7A所示，在一个示例中，晕圈单元速度分布图包括对应于围绕发热块的面的不同位置(同样标记为A、B、C)的多个表示702、704和706。发热块的3D表示在图7B中示出，以及包括面A、B、C的发热块的2D表示在图7C中示出。另外，晕圈单元速度分布图也可能取决于网格单元大小。例如，如果PFM方法使用6个晕圈单元，那么，从其中推导出晕圈速度的对应CFD模型也应利用6个单元。而且，在发热块顶部的速度可能是相对均匀的，并且因此可以使用相同的公式来估算。需要注意，计算的速度可以在所有晕圈单元或仅在浮力处于支配地位的晕圈单元中被指定。

浮力校正

在步骤310中确定的浮力校正在下面参考图8A-8C来描述。如上所述，浮力校正可以说明与暖空气上升和冷空气下沉相关联的速度。总的来说，浮力校正方法使用PFM方法计算气流和温度场，随后向在垂直方向上的每个网格单元增加浮力速度v_b。与上述的射流气流校正和晕圈单元校正方法相比，在下面描述的浮力校正方法中，整个流场不仅对附近的发热/冷却物体进行调节，而且也对空气供给进行调节。而且，不同于其他两种校正技术，浮力校正被添加到(而不是替代)通过PFM预测的速度。

在一个示例中，与浮力校正相关联的速度可以被表示为:

其中，g是由于重力所产生的加速度，

β是体积热膨胀的系数，

H是特征垂直长度尺度，

ΔT是感兴趣的点(网格单元)与另一个基准值之间的特征温度差，以及

α是凭经验确定的系数。

如果数值是正的，则“符号(Sign)”函数返回1，如果数值是0则该符号函数返回0，并且如果数值是负的则该符号函数返回1。其用于确保在基准温度之上和之下的局部温度分别向上或向下产生浮力速度。

在至少一个示例中，β可以等于理想气体的绝对温度的倒数，以及α系数可以用于“调谐”E-PFM以最佳匹配CFD预测。

在某些示例中，v_b的部分起因于简单的尺度分析，其中假设垂直动量和浮力彼此平衡。因此，在一个示例中，经验系数α可以是1阶的。需要注意，“特征”值H和ΔT在某种程度上可任意选择以优化模型准确性。例如，H可以被解释为房间的高度或它可以基于附近固态物体的高度而改变或它可以被当作每个个体网格单元的高度。同样地，ΔT可以被选择作为固定的基准温度或参考相邻的网格单元来选择。在一个示例中，固定的基准温度可以是供应给房间的最冷空气的温度。

因为温度在单元中心处被计算并且速度在单元面处被计算，所以在任何水平单元面处的速度基于经计算用于刚好在该单元面之下和刚好在该单元面之上的单元的平均v_b。来源于被应用于每个网格单元的速度v_b的流场几乎总是不再质量守恒，并因此不再能量守恒，从而产生能量失衡。因此，下面描述的“映射”步骤可以用于将在步骤310中确定的浮力已校正的流场转换回到恰当的质量守恒场。

映射步骤校正

如上所述，映射步骤是用于将在上述步骤312中确定的流场转换为质量守恒流场的程序。该映射步骤初始被开发为时间分裂技术并被随后已被用于快速流体动力学(FFD)仿真。在两种情况下，该步骤用于实施已产生质量失衡的其他解决方案步骤的质量守恒，同时必须建模各种物理现象。映射(校正)步骤的这些初始用法是纯粹用于瞬态(时变)应用。在本文描述的示例中的E-PFM分析通常是稳态仿真，并且因此，最终的映射步骤是与时间无关的。

映射步骤的稳态版本的详细推导未在这里示出，但是该步骤以瞬态分析开始，在该瞬态分析中，如果我们仅通过在小的时间步长内的压力作用将流动“推回”为质量守恒，那么我们计算必须存在的压力场。最后，如果我们在修改后的压力内“隐藏”时间步长，则不需要参考时间。

为了将校正应用到稳态气流形态，我们首先基于通过向流场添加浮力校正所产生的非质量守恒速度场来计算修改后的压力。正如在初始PFM分析中的速度势，修改后的压力可以通过求解泊松方程来计算：

${\▿}^2\tilde{p}=\▿\·\stackrel{\→}{V}*---\left(7\right)$

为了从映射步骤获得最终校正的速度，我们从(非质量守恒)浮力校正的流场减去修改的压力场的梯度：

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{V}*-\▿\tilde{p}---\left(8\right)$

从非质量守恒场产生质量守恒场的映射步骤方法在图8中概述。为简化起见，我们参考图2的2D的结构化计算网格而呈现了的方程的离散化形式。

在步骤802中，修改的压力的梯度可以从非质量守恒流场计算为:

${(\▿\·\stackrel{\→}{V}*)}_i=\frac{1}{\mathrm{\Δ}x}(u_E^{*}-u_W^{*}+v_N^{*}-v_S^{*})---\left(9\right)$

在步骤804中，我们通过求解泊松方程来计算修改的压力。参考图2的计算网格，该计算网格包括单元202、204、206和208，修改的在网格单元i处计算，其中表示在单元202中的修改的压力，表示在单元206中的压力，表示在单元204中的压力以及表示在208中的压力。修改的可以被表示为：

${\tilde{p}}_i=\frac{1}{4}({\tilde{p}}_N+{\tilde{p}}_S+{\tilde{p}}_E+{\tilde{p}}_W-{\mathrm{\Δx}}^2{(\▿\·\stackrel{\→}{V}*)}_i)---\left(10\right)$

最终，在步骤806中，我们通过从初始非守恒流场减去修改的压力场的梯度来计算质量守恒流场。

在步骤806中，实际速度可以被确定为在每个单元中修改的压力的函数：

$u_E=u_E^{*}-\frac{1}{\mathrm{\Δ}x}({\tilde{p}}_E-{\tilde{p}}_i)$ 和 $u_W=u_W^{*}-\frac{1}{\mathrm{\Δ}x}({\tilde{p}}_i-{\tilde{p}}_W)---\left(11\right)$

$v_N=v_N^{*}-\frac{1}{\mathrm{\Δ}x}({\tilde{p}}_N-{\tilde{p}}_i)$ 和 $v_S=v_S^{*}-\frac{1}{\mathrm{\Δ}x}({\tilde{p}}_i-{\tilde{p}}_S)---\left(12\right)$

图9A-9C示出映射步骤的一个示例，该步骤包括在映射步骤被执行后的初始非质量守恒场和质量守恒场。图9A示出在房间900的2D表示中所表示的边界条件。如图所示，气流进入房间900的左下部并从右上部离开。初始场被设定为大致东北流，如图9B所示从左下的进气口到右上的排气口。在图9B中，该流动在内部纯粹只是东北方向，因为流动和墙壁边界影响域的周长周围的初始场。图9C示出在映射步骤后修改的流场。在图9C中，气流场的主要特征被保留，流动仍然在从进气口到排气口的大致上的东北方向。另外，气流现在还包括已取代在流动方向上的突变的平滑过渡。在图9C中示出的气流场与质量守恒一致。

一般房间的示例

E-PFM方法300的结果可以参考图10、11和12来说明。图10、11和12比较三种方法，在本文中所述的表征射流模型、在晕圈单元处的指定的速度以及浮力校正的CFD、PFM和E-PFM方法。这些方法被实施，由于它们将在一般的建筑物通风设计应用中。在下列示例中的CFD、PFM和E-PFM方法在类似的仿真设定和输入下执行并且包括房间的简单粗网格模型。图10示出在办公空间环境中的房间120的一个示例，该房间具有10ft乘以10ft乘以10ft的尺寸。办公空间120包括在一个墙壁的地步处将气流输入到房间中的通风开口122以及空气通过其从房间离开的顶棚回风口124。房间120包括一个热生成块126，例如，向房间添加50W的人形物体。房间120还包括书桌128和计算机130。

图11A-11C示出通过房间120的中间(例如在5英尺处)的温度场的2D表示。通过CFD生成的温度场在图11A中示出，PFM温度场在图11B中示出，以及E-PFM产生的温度场在图11C中示出。在图11B中示出的使用PFM确定的合成温度在热生成块134的右侧的区域中被强烈得过度预测，并且在该房间的从低到高从底部到顶部也没有观察到温度上升。在图11中示出的E-PFM的校正方法解决这些温度过度预测的温度并产生逼真的温度图。

除了比较温度场以外，对于每个方法的房间的最大温度也可以被比较。该最大温度可以帮助评估与CFD相比我们的基于PFM的方法中的每一个采集当前混合物的正确水平的能力。对于房间120使用基于PFM方法所计算的最大温度是44℃，而对于CFD的最大温度是21℃，以及对于基于E-PFM的方法的最大温度是22℃。E-EFM的最大温度类似于CFD，显示出E-PFM方法提供了超过PFM的显著改进。

图12A-C示出通过房间120的中间的速度场的2D表示，其中，由CFD生成的速度场在图12A中示出，由PFM生成的速度场在图12B中示出，以及由E-PFM生成的速度场在图12C中示出。在房间中的速度场提供了对于E-PFM的准确度的增益的解释。图12A-C示出在与图11A-C相同的平面或剖面中的速度和方向。在图12C中示出的使用E-PFM产生的速度包括在CFD中存在的两个再循环区域132和134。再循环区域132被定为到发热块的左侧，以及再循环区域134被定为到发热块的右侧。在图12B中示出的使用PFM产生的速度不包括再循环区域。再循环区域132和134混合气流，产生某些分层，并防止图11B中所看到的利用PFM引起的极高温度的滞流。

数据中心应用和示例

E-PFM方法300的结果可以参考图13-15来说明，该方法在数据中心温度和气流估计中比较本文所述的PFM和E-PFM。如上所述，晕圈单元和射流模型可能不与数据中心应用相关。因此，在遵循E-PFM方法的示例中，该方法仅实施浮力校正。不过，在这些示例中，即使只有浮力校正，也能实现相当准确的增益。

图13示出根据某些示例的在下面描述的分析中表征的六种布局A-F。在本文所述示例中的布局A-F提供E-PFM的性能的综合表示。该布局在由Healey,C.、VanGilder,J.、Sheffer,Z.和Zhang,X.在2011年7月6-8日在俄勒冈州波特兰的“Proceedings of InterPACK”发表的“PFM and CFDcomparison study Potential-Flow Modeling for Data Center Applications”中进行描述。布局A-F提供相对于在活地板和局部冷却发热数据中心房间中的最大机架进气口温度和平均机架进气口温度的预测的E-PFM的量化改进。该布局表示在各种通道配置中所表示的机架的各种配置。例如，布局A包括没有排式冷却器的多个两通道群集、四个CRAC冷却器和穿孔砖，而布局E包括多个两通道群集，每个群集通过热通道隔开，其特征在于没有穿孔地板砖且只有排式冷却器。

为了简化E-PFM、PFM和CFD之间的比较，采用了准确度量，如由Healey,C.、VanGilder,J.、Sheffer,Z.和Zhang,X.在2011年7月6-8日在俄勒冈州波特兰的“Proceedings of InterPACK”发表的“Potential-FlowModeling for Data Center Applications”中所讨论的。给定机架j的E-PFM估计温度相对于CFD估计值的准确度被定义为:

其中，ΔT_ref是基准温度差(在这个例子中被设定为10℃)。PFM相对于CFD的准确度可以同样定义。

图14A和14B示出在布局C中E-PFM对CFD的比较，该比较包括对于E-PFM和PFM的平均准确度，同时改变方程(6)中的凭经验确定的系数α。如上所述，在一个示例中，与浮力校正相关联的速度可以被表示为由于重力所产生的加速度、体积热膨胀的系数、特征垂直长度尺度、感兴趣的点(网格单元)与另一个基准值之间的特征温度差和凭经验确定的系数的函数。在这个示例中，系数α在诸如{0.15，0.7，1.4，2.8，7.0，14}的多个值之间改变。方程(6)的特征垂直长度尺度H被视作每个单元的高度，在这个示例中是0.15米。

图14A绘出在布局C内的平均进气口温度估值之上进行平均的E-PFM和PFM的准确度，以及图14B绘出在布局C的最大进气口温度估值之上进行平均的E-PFM和PFM的准确度。图14A和14B示出E-PFM方法通过恰当选择α.能够显著减少误差，从而提高准确度并最好平分剩余误差(在具有一组完美的估值时，产生1的准确度)。该绘图示出在平均气口温度预测和最大进气口温度预测中的实质改进，尤其是后者，其为PFM特别努力争取以获取准确度的领域。应当理解，虽然在0.15与14之间的α的所有值中存在准确度增益，但是，包括利用其他布局A、B、D、E和F执行的其他实验的结果建议α的最有效值可以落在1与5之间。

图15示出在所有六个A-F布局之上对于平均进气口稳固的E-PFM和PFM准确度的比较。图15通过E-PFM来确定，其中u＝1.4和H＝0.15。在六个布局中的四个布局中，与PFM比较，观察到了实质改进(超过33％的误差减少)。虽然观察到对于平均进气口温度E-PFM在布局B中的准确度有稍许恶化，但是应当明白，u＝1.4仍然改进该布局中最大温度预测的准确度。在已执行的所有测试中，已经发现布局E相对独立于E-PFM的实施，在改变系数α的值时，准确度既没有提高也没有下降。

这些结果建议，使用具有精选α的E-PFM将显著地提高数据中心温度预测的准确度，一般来说，提高平均和最大机架进气口温度的准确度。在超过一半的被测试数据中心案例中，浮力校正的使用明显地减少了误差。

计算机系统

根据本实施例在本文中描述的各个方面和功能可以被实施为在一个或多个计算机系统上的硬件或软件。存在目前使用的计算机系统的许多示例。除了其他计算机系统之外，这些示例包括网络家电、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、数据库服务器和网页服务器。计算机系统的其他示例可以包括移动计算装置(诸如蜂窝电话和个人数字助理)以及网络设备(诸如负载均衡器、路由器和交换机)。此外，根据本实施例的多个方面可以被定位在单计算机系统上，或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之中。

例如，各个方面和功能可以被分布在一个或多个计算机系统中，其配置为向一个或多个客户端计算机提供服务或配置为作为分布式系统的一部分执行总体任务。另外，这些方面可以在客户端-服务器或多层次系统上执行，其包括在执行各种功能的一个或多个服务器系统之间分布的组件。因此，实施例并不限于在任何特定系统或系统组上执行。此外，这些方面可以在软件、硬件或固件或其任何组合中实施。因此，根据本实施例的方面可以在方法、动作、系统、系统元件和使用各种硬件和软件配置的组件内实施，并且实施例并不限于任何特定的分布式体系结构、网络或通信协议。

图16示出分布式计算机系统160的框图，在该系统中，根据本实施例的各个方面和功能可以进行实践。分布式计算机系统160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160包括计算机系统162、164和166。如图所示，计算机系统162、164和166通过通信网络168互连，并且可以通过该通信网络168交换数据。网络168可以包括计算机系统可以借此交换数据的任何通信网络。为了使用网络168交换数据，计算机系统162、164和166以及网络168可以使用各种方法、协议和标准，除了其他方法、协议和标准之外，其包括令牌环、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162、164和166除了使用其他安全技术之外使用包括TLS、SSL或VPN的多种安全措施经由网络168来传输数据。虽然分布式计算机系统160示出三个联网的计算机系统，但是分布式计算机系统160可以包括使用任何介质和通信协议联网的任何数量的计算机系统和计算装置。

根据本实施例的各个方面和功能可以被实施为在包括如图16所示的计算机系统162的一个或多个计算机系统中执行的专用硬件或软件。如图所示，计算机系统162包括处理器170、存储器172、总线174、接口176和存储器178。处理器170可以执行产生操作数据的一系列指令。处理器170可以是商用处理器，诸如英特尔奔腾、摩托罗拉PowerPC、SGI MIPS、Sun UltraSPARC或Hewlett-Packard PA-RISC处理器，但是在可得到许多其他处理器和控制器时，处理器170可以是任何类型的处理器、多处理器、微处理器或控制器。处理器170通过总线174被连接到其他系统元件，该系统元件包括一个或多个存储器装置172。

存储器172可以用于在计算机系统162的操作期间存储程序和数据。因此，存储器172可以是相对高性能、易失性的随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。不过，存储器172可以包括用于存储数据的任何装置，诸如磁盘驱动器或其他非易失性、非暂时性的存储装置。根据本发明的各个实施例可以将存储器172组织为专用的，并且在一些情况下，组织为执行本文公开的方面和功能的独特结构。

计算机系统162的组件可以通过诸如总线174的互连元件来耦接。总线174可以包括一个或多个物理总线，例如，被集成到相同机器内的在组件之间的总线，但是还可以包括在系统元件之间的通信连接器，其包括专用或标准的计算总线技术，诸如IDE、SCSI、PCI和InfiniBand。因此，总线174使得通信(例如，数据和指令)能够在计算机系统162的系统组件之间交换。

计算机系统162还包括一个或多个接口装置176，诸如输入装置、输出装置和输入/输出装置的组合。接口装置可以接收输入或提供输出。更具体地，输出装置可以呈现用于外部显示的信息。输入装置可以从外部源接收信息。接口装置的示例包括键盘、鼠标装置、轨迹球、麦克风、触摸屏、打印装置、显示屏、扬声器、网络接口卡等。接口装置允许计算机系统162与外部实体(诸如用户和其他系统)交换信息并与其通信。

存储系统178可以包括计算机可读和可写、非易失性、非暂时性的存储介质，存储在该介质中的指令定义待由处理器执行的程序。存储系统178还可以包括记录在介质上或介质中的信息，并且这种信息可以由程序处理。更具体地，信息可以被存储在一个或多个数据结构中，该数据结构具体地被配置为保存存储空间或增加数据交换性能。该指令可以被持久地存储为编码信号，并且该指令可以导致处理器执行本文所述的任何功能。除了其他介质以外，介质还可以例如是光盘、磁盘或闪存存储器。在操作时，处理器或某些其他控制器可以使得数据从非易失性记录介质被读取到另一个存储器(诸如存储器172)中，相比于包括在存储系统178中的存储介质，该存储器允许处理器更快速地存取信息。存储器可以被定位在存储系统178或存储器172中，不过，处理器170可以操作存储器172内的数据，并可以随后在处理完成后，将数据复制到与存储系统178相关联的介质。多个组件可以管理在介质与集成电路存储器元件之间的数据移动，并且当前所描述的实施例并不局限于此。此外，实施例并不局限于特定的存储器系统或数据存储系统。

虽然计算机系统162通过示例的方式被示为一种类型的计算机系统，通过该计算机系统根据本实施例的各个方面和功能可以被实践，但是，当前所公开的实施例的任何方面并不局限于在图16中示出的计算机系统上实施。根据当前所公开的实施例的各个方面和功能可以在具有与图16所示的体系结构或组件不同的体系结构或组件的一个或多个计算机上实践。例如，计算机系统162可以包括特别编程的专用硬件，诸如例如定制为适合执行本文公开的特定操作的专用集成电路(ASIC)。虽然另一个实施例可以使用以32位英特尔和64位英特尔处理器运行MAC OS X的几个通用计算装置以及运行专有硬件和操作系统的几个专用计算装置来执行相同功能。

计算机系统162可以是包括操作系统的计算机系统，该操作系统管理包括在计算机系统162中的硬件元件的至少一部分。通常，处理器或控制器(诸如处理器170)执行操作系统，该操作系统可以是例如基于视窗(Windows)的操作系统，诸如可从微软公司获得的Windows NT、Windows2000(Windows ME)、Windows XP、Windows Vista、Windows 7和Windows8操作系统，可从苹果计算机公司获得的MAC OS System X操作系统，许多基于Linux的操作系统发行版中的一种，例如，可从红帽公司获得的企业Linux操作系统，可从太阳微系统(Sun Microsystems)公司获得的Solaris操作系统，或从各种来源获得的UNIX操作系统。许多其他操作系统可以被使用，并且实施例并不局限于任何特定实施。

处理器和操作系统一起定义计算机平台，对于该计算机平台可以以高级编程语言编写应用程序。这些组件应用可以是可执行的、中间的，例如，C-、字节代码或编译码，其使用通信协议(例如TCP/IP)在通信网络(例如互联网)上进行通信。同样地，根据当前所公开的实施例的方面可以使用面向对象编程语言(诸如.Net、SmallTalk、Java、C++、Ada或C#(C-Sharp))来实施。也可以使用其他面向对象编程语言。另选地，可以使用函数式、脚本或逻辑编程语言。

另外，根据当前公开的实施例的各个方面和功能可以在非程序环境中实施，例如，以HTML、XML或其他格式形成的文档，当在浏览器程序的窗口中查看该文档时，渲染图形用户界面的方面或执行其他功能。此外，根据本发明的各个实施例可以被实施为编程或非编程的元件，或其任何组合。例如，网页可以使用HTML来实施，而从网页内调用的数据对象可以以C++编写。因此，当前所公开的实施例并不局限于特定编程语言，并且也可以使用任何合适的编程语言。

包括在实施例内的计算机系统可以执行在当前所公开的实施例的范围之外的另外功能。例如，系统的方面可以使用现有的商业产品来实施，该商业产品诸如例如，数据库管理系统，诸如可从华盛顿州西雅图的微软获得的SQL Server、加利福尼亚州红木海岸甲骨文(Oracle)公司的Oracle数据库以及可从甲骨文的子公司MySQL AB获得的MySQL或整合软件，诸如来自纽约州阿曼克的IBM的Web Sphere中间件。不过，运行例如SQLServer的计算机系统能够支持根据当前所公开的实施例的方面和用于各种各样的应用的数据库两者。

本文描述的实施例提供用于确定通过建筑物中的区域和数据中心中的设备的气流的新颖方法和系统。在本发明的实施例中的设计或管理工具中准确预测气流的能力促进设计健全的基础设施，诸如数据中心和HVAC系统，其在不同的布局配置中展现良好的冷却和通风性能。此外，实施例有助于在试图达到特定性能结果中避免在设施中的昂贵的试错法解决方案。此外，气流预测中的更好准确度产生改进的总体数据中心冷却分析和建筑物通风系统，并且可以提供更节能的解决方案。在本文所述的至少某些实施例中，气流被描述为通过进气口、出气口、风扇和泄漏所生成。本文所述的系统和方法可以与其他类型的空气源一起使用，该空气源包括其他类型的冷却、通风装置和风扇。在至少某些实施例中，方法被描述为确定特定气流。在至少某些实施例中，所述确定是实际气流的预测或估计。

在本文讨论的本发明的至少某些实施例中，评估和计算的性能偶尔被称为“实时”。如本文所参考的，“实时”是指在大约几秒钟或更短而不是几分钟或更长的时间内完成的过程。该持续时间能够会发生复杂的计算，诸如涉及典型CFD计算。

在上述的至少某些实施例中，设施(诸如数据中心或建筑物)的设计和/或实际参数基于设施内的预测气流来改变。该改变可以被实施以提高冷却性能和/或可以被实施以当发现性能在预先确定的规范内时，提供成本节约和/或节能。例如，设备机架的位置可以被改变和/或机架类型或机架配置的类型可以被改变。此外，基于确定的气流值，根据一个实施例的数据管理系统可以控制一个或多个CRAC或排式冷却装置以调节气流，并且另外，如果来自制冷供给设备的气流不足以提供充分的冷却时，一个或多个设备机架可以被控制以降低功率。

在上述的至少某些实施例中，工具和过程被提供用于确定数据中心中的机架气流和建筑物中的气流。在其他实施例中，工具和过程可以被用于其他类型的设施，并且还可以被用于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以被用在具有各种进气口、出气口和内部结构的众多的设备机架中。如本文使用的术语出气口和出气口可以包括机架的单开口区域(诸如通风孔，紧密排列在一起以有效充当一个开口的一组通风孔)，或可以包括具有许多个别开口区域的单开口。

虽然因此已描述本发明的至少一个实施例的几个方面，但是应当理解，本领域的技术人员易于想到各种替代、修改和改进。此类替代、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述和附图仅起示例的作用。

Claims (20)

1.一种用于建模气流的计算机实现方法，所述方法包括:

接收与设施的物理布局相关的输入数据；

通过计算机将所述设施的表示划分为多个网格单元；

基于所述物理布局，识别射流气流、热羽流和浮力中的至少一种的作用存在于所述设施内的何处；

如果所述射流气流和热羽流中的至少一种的作用存在于所述多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法来指定用于所述多个网格单元的第一组的速度值；

通过所述计算机计算用于所述多个网格单元的第二组中的每个网格单元的气流速度值，所述第二组不同于所述第一组；

修改用于在其中存在浮力作用的所述多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的所确定的气流速度值；以及

在存储装置上存储所修改的气流值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述气流速度值还包括使用势流法来计算所述气流速度值，并且其中，所述方法还包括基于所修改的气流值和所指定的速度值中的至少一个来配置所述设施中的设备。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述气流速度值，通过所述计算机计算用于所述多个网格单元中的每个网格单元的温度值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设施包括在数据中心内的空间，并且，在所述物理布局中的物体包括至少一个设备机架和至少一个制冷供给设备。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设施包括在建筑物内的空间，并且，在所述物理布局中的物体包括至少一个通风结构和至少一个供暖设备。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，修改所确定的气流速度值还包括：

计算用于所述多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的浮力速度值；以及

将所述浮力速度值添加到所确定的气流速度值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，指定所述速度值还包括：

计算用于在所述设施内的影响区中的所述多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的射流气流速度值；以及

指定用于在所述影响区中的所述多个网格单元的第一组的射流气流速度值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，指定所述速度值还包括：

计算用于邻近所述设施内的物体的所述多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的晕圈单元速度值；以及

指定用于邻近所述物体布置的所述多个网格单元的第一组的晕圈单元速度值。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用迭代法确定用于所述设施内的网格单元中的每一个网格单元的新的气流值，其中，所述新的气流值满足质量平衡方程。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

确定所述新的气流值与先前的气流值之间的差值是否大于阈值；以及

重复所述迭代法直到所述差值不大于所述阈值。

11.一种建模气流的系统，所述系统包括存储器和耦接于所述存储器的处理器，所述系统被配置为：

接收与设施的物理布局相关的输入数据；

将所述设施的表示划分为多个网格单元；

基于所述物理布局，识别射流气流、热羽流和浮力中的至少一种的作用存在于所述设施内的何处；

如果所述射流气流和热羽流中的至少一种的作用存在于所述多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法来指定用于所述多个网格单元的第一组的速度值；

通过所述计算机计算用于所述多个网格单元的第二组中的每一个网格单元的气流速度值，所述第二组不同于所述第一组；

修改对于在其中存在浮力作用的所述多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的所确定的气流速度值；以及

在存储装置上存储所修改的气流值。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被配置为使用势流法来计算所述气流速度值，并且其中，所述系统还被配置为基于所修改的气流值和所指定的速度值中的至少一个来配置所述设施中的设备。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被配置为基于所述气流速度值来计算用于所述多个网格单元中的每个网格单元的温度值。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述设施包括在数据中心内的空间，并且，在所述物理布局中的物体包括至少一个设备机架和至少一个制冷供给设备。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述设施包括在建筑物内的空间，并且，在所述物理布局中的物体包括至少一个通风结构和至少一个供暖设备。

16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被配置为通过下列方式修改所确定的气流速度值：

计算用于所述多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的浮力速度值；以及

将所述浮力速度值添加到所确定的气流速度值。

17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被配置为通过下列方式指定所述速度值：

计算用于在影响区中的所述多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的射流气流速度值；以及

指定用于在所述影响区中的所述多个网格单元的第一组的射流气流速度值。

18.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被配置为通过下列方式指定所述速度值：

计算用于邻近所述设施内的物体的所述多个网格单元的第一组中的任何一个网格单元的晕圈单元速度值；以及

指定用于邻近所述物体布置的所述多个网格单元的第一组的所述晕圈单元速度值。

19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被配置为计算用于所述设施内的网格单元中的每一个网格单元的新的气流值，其中，所述新的气流值满足质量平衡方程。

20.一种非暂时性计算机可读介质，其具有存储在其上的用于建模气流的指令序列，所述指令序列包括将导致至少一个处理器执行下列操作的指令：

接收与设施的物理布局相关的输入数据；

将所述设施的表示划分为多个网格单元；

基于所述物理布局，识别射流气流、热羽流和浮力中的至少一种的作用存在于所述设施内的何处；

如果所述射流气流和热羽流中的至少一种的作用存在于所述多个网格单元的第一组内，则使用速度校正方法来指定用于所述多个网格单元的第一组的速度值；

通过计算机计算用于所述多个网格单元的第二组中的每个网格单元的气流速度值，所述第二组不同于所述第一组；

修改用于在其中存在浮力作用的所述多个网格单元的第二组中的任何一个网格单元的所确定的气流速度值；以及

在存储装置上存储所修改的气流值。