1、关于文丘里效应的介绍

　　如果你曾经看过一条快速流动的宽大河流突然注入狭窄的通道或突然通过两座山峰之间的狭窄间隙，你可能就能够很好的理解或利用意大利物理学家文丘里(Giovanni Battista Venturi)在1797年所描述的现象，即文丘里效应(Venturi effect)了。

　　当受限的流动遇到收缩的过流断面时，例如两座山之间的间隙，所有的空气被迫需要通过该狭小的间隙。 随着与压力相关势能转换为动能，空气速度(v)增加，而压力(P)下降。空气快速的流过收缩的断面，低压成为了周围空气被吸入其尾部，并覆盖轨道的驱动力。 当冷暖天气交替时，将带来压力差和由此所产生的恢复平衡的吸力效应。而这一效应在数据中心引发了相关的问题。

图1：文丘里效应的本质：狭窄通道导致风速增加，反过来又导致了较低的空气压力。

　　2、数据中心的文丘里效应

图2：数据中心的文丘里效应

　　数据中心行业中最关键的挑战之一是维持高效的热管理，同时满足更大的IT负载需求。传统的气候控制系统利用空气作为散热的主要载体，并且通常将计算机室空调(CRAC)或空气处理器(CRAH)作为调节机房温度的优选方法。然而，尽管这些在其直接专属的工作方面(移除服务器的散热)是有效的，但如果要从一个更为宽泛的视觉角度来看的话，他们也是非常低效的。

　　2.1 空气速度和体积

　　CRAC设备的设计目的旨在能够在密闭空间内完成工作——而这也就是他们所做的工作。为了冷却3414 KBTU /小时的服务器散热，需要消耗2500立方英尺/秒的空气(在供应和返回之间的空气温差为22°F)。在现实中，许多安装并不能达到22°F dF，因此需要消耗更多的空气。在缺乏高速的空气流动的条件下，从机架充分移除服务器的散热所需的空气体积不可能通过CRAC单元来提供，因为CRAC单元通常很小，并且不能在不加速速度的情况下传送所需的空气量。

　　数据中心中最高的空气流动速度发生在空气轨迹的最小部分内，在大多数情况下，这往往是在CRAC单元的出口处，即，在高架地板下的区域或在服务器通道之间的走廊中。使用常规气候解决方案的数据中心的空气流通速度一般会超过16.5英尺/秒，通常达到26 - 33英尺/秒。

　　当数据中心的负载远低于最大设计容量时，也可能是这种情况。这些低效率有时可能源于数据中心中的通道和机架行之间的设计不良的空气流。每个时间单位所需的空气量与服务器中所消耗的能量和服务器中的空气温度的升高直接相关。

　　由于空气泄漏，循环空气的体积在大多数数据中心达到每1000KBTU / hr的1038立方英尺 / s的水平。不用说，大量的空气需要在数据中心循环，以保持所需的温度。

　　2.2 气压

　　由于大量空气的高速流动导致局部的静态气压下降，会对室内的压力条件有很大的影响。

　　26英尺/秒的空气流速将会对气压产生大约0.058 psi下降的影响。在一个设计不良的服务器机房，这些压力的差异是相当显著的，因为它们会影响到服务器风扇的散热能力，并可能很容易产生热点。其也会导致服务器冷却器风扇的高电力消耗，因为他们需要补偿和克服气流阻力。

图3：与高速的空气流动相关的压力差

　　3、文丘里效应的影响

　　大量的空气流从CRAC单元以高速度进入高架地板下方的白色空间，在机房中产生不需要的压力变化。当低压在服务器的入口侧时，局部出现的低压力可以以两种方式影响服务器的工作：

　　① 这使得服务器中的冷却风扇更难或不可能通过服务器吸入足够的空气量;

　　② 由于驱动力的作用，热空气可能会找到一种方式进入服务器侧，这种低压对周围空气施加，减少了可用的冷空气量。

　　图4：由于文丘里效应和压力差，负压在机架的下部发生，从背面向前吸入空气。同时，在中间部分存在正常压力，在上部存在过压。由此导致的结果是，在服务器机架的下部和上部会发生热点和冷却不足。

　　图5表示了一个CFD模拟，其中热点可以在冷通道的底部看到，刚好在服务器入口侧的前面。这种情况通常发生在靠近CRAC单元的空气出口的位置。低压使得服务器风扇难以吸入冷空气，而热空气则找到通往前侧的方式来填补空隙。

图5：CFD模拟

　　4、处理压差的常规解决方案

　　采用超压

　　克服这些不希望产生的压力差的最广泛使用的解决方案之一是施加过压。然而，所施加的压力并不会完全补偿服务器机房内的每个部分中的压力下降，因此某些热点将继续保留。

　　此外，在数据中心中施加过压可能会在不经意地导致空气泄漏。而防止泄漏的成本不仅相当高昂，而且为了弥补压力损失，在机房内还需要额外的40%的空气流通。具有讽刺意味的是，这将产生更高的空气流通速度，并与之形成一个雪球效应。

　　很明显，施加超压会显著增加能量消耗，导致风扇磨损并导致较低的返回温度，这本身就导致在机械或免费空气冷却过程中甚至更低的能量效率需要取决于室外温度。

　　在恒定空气流量系统中，可以通过调节控制装置(空气阻尼器，可调节的地板砖等)来控制空气流量。然而，在现代数据中心中，空气流量远远不是恒定的，导致关于空气的需求和空气的流量情况是动态的，需要持续调整装置，以控制空气流量或压力。

　　采用超压会增加成本：

　　浪费能源

　　冷却无效

　　加压系统

　　复杂的控制

图7：与服务器机房压降相关的能耗

　　5、低速通风如何处理压差

　　从压力控制转向空气供应的可用性

　　随着成本效益和安全的气候控制系统的需求日益增加，低速通风解决方案处在了一个大规模的模式转变的最前沿。低速通风方式解决了与CRAC相关的问题，高风速和文丘里效应简单有效摆脱高气流速度。 手头的任务仍然是相同的——借助每秒大量的空气流动来为服务器提供冷却。该解决方法很简单，并提供了许多好处：在一款LSV系统中用于冷却的大横截面积使得空气速度保持较低，并且不会发生文丘里效应。在数据中心使用LSV技术，空气以3.3-4.9英尺/秒的速度移动。压力差和文丘里效应的负面影响在较高的空气速度下开始发生。传统的气候控制系统是基于强制空气循环的想法。而在这种系统中，CRAC单元的转向参数是温度和压力。这种转向原理几乎是不可避免的，因为数据中心中对于压力情况的控制在防止热点以及在服务器的可靠操作中起到如此重要的作用。然而，使用低速通风方法，压力相关的问题不起重要作用，因为压力可以根据客户的愿望(0-0.0007Psi)设定。基本上，阻止压力差，并且除了明显的事实之外，这将显著地减少循环空气所涉及的能量消耗，其还使得气候控制更容易。

　　数据中心气候控制的方法需要从“诱导空气循环”转变到“空气供应的可用性”的模式。控制系统可以大大简化，并且系统变得更加强大。

　　就像健康呼吸的生物一样，服务器也需要足够的空气。当提供足够的空气量时，服务器可以照顾自己，但这需要一种新的方式来看待气候控制——其中唯一相关的标准是服务器是否可以使用冷空气。

　　实现低速通风有两个主要条件：

　　① 在空气处理单元，以及在数据中心中的沿着空气回路的横截面面积必须足以保证低风速。这可以防止不需要和不必要的压力差，并完全消除了施加压力的需要。

　　③ 一款气候控制系统确保输送足够量的空气，并测量冷空气供应和热空气返回之间的平衡。来自服务器的增加空气的需求将由系统的智能管检测，然后LSV系统将开始供应更多空气。

　　在恒定空气流量下降低空气速度意味着增加沿着空气回路轨迹的横截面积。特别是，LSV服务器冷却技术需要不同的空气返回的几何形状，即分离通道。

　　在数据室内，对于空气流量泄漏的测量被放置在服务器机房和热空气通风室之间，指示冷空气是否短缺或过剩。LSV冷却器中风扇的转向将平衡数据室中冷空气的供应和需求。

图8：空气的可用性

　　6、结论

　　来自CRAC单元的窄口高风速在这个空白空间产生了压力差，从而导致数据中心产生额外的费用。施加超压以弥补压力的损失不仅会增加风扇的磨损，同时也增加了能源费用，而且还需要额外的昂贵的解决方案，以尽量减少进一步的漏风资金，以便可以更有效地利用到其他地方。

　　你数据中心是否可以将这些压力差最小化呢?其实Alfa Laval公司的低通风系统就可以让您做到这一点，并且由于其需要更少的控制设备和电气基础设施，并且不需要防漏，初始投资通常低于现有解决方案。

　　责任编辑：DJ编辑