Airflow and Energy Optimization in the turbine-aided data center using Entransy approaches
本研究利用计算流体力学和基于熵流（Entransy）的分析，通过对冲击湍流和转子位置的策略性操控，数值研究了一种用于数据中心的涡轮辅助冷却方案，旨在优化气流分布、增强能源效率并改善散热性能。
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数据中心是现代世界的庞大、轰鸣的仓库，承载着驱动我们数字生活的服务器。在这些房间内，数以千计的计算机产生巨大的热量，需要持续且强力的冷空气流来防止它们熔毁。标准的方法是将地板抬高，以创建一个隐藏的静压箱（plenum），这是一个空调机组将冷空气向上推向穿孔地板砖的空腔空间。这些空气进入服务器机架之间的冷通道，吸收热量，然后回到房间顶部进行再次冷却。然而，这种系统往往效率低下。空气有时移动得过快，撞击地板并产生湍流，造成能量浪费；或者无法到达最热的点，导致服务器过热，而其他区域却保持不必要的低温。工程师面临的挑战是驯服这种混乱的流动，确保冷却空气准确地移动到需要的地方，而不浪费电力。
一个研究团队致力于通过在底板下空间引入一个新元素——一个小型的风力涡轮机，来解决这一问题。他们并没有将奔涌的空气视为需要对抗的问题，而是将其视为一种可以利用的资源。他们建立了一个典型数据中心房间的详细计算机模拟模型，该房间长8.75米，宽6.4米，摆放着两排服务器机架。在他们的模型中，他们将一个涡轮转子放置在从精密空调（CRAC）单元底部向下进入底板静压箱的气流路径中。其目标是观察这个涡轮机是否能同时实现两件事：既能稍微减缓空气流速，以防止其撞击地板并浪费能量，又能同时捕获部分移动空气的动力来发电。他们测试了涡轮机的不同位置，并调整了涡轮机对气流提供的阻力大小，本质上是在调节空气必须推动叶片的力度。
他们的模拟结果表明，涡轮机起到了空气温和调节器的作用。如果没有涡轮机，来自冷却单元的高速空气会撞击地板，产生破坏动量的混乱压力波。当加入涡轮机后，它吸收了部分力量，使气流变得平滑，并降低了撞击地板的压力。当涡轮机位于底板空间较高处且设定为对气流提供适度阻力时，这种效果尤为显著。研究人员发现，这种布置不仅通过减少湍流节省了能源，还允许涡轮机从气流中收集少量的功率。发电效率最高的设置出现在涡轮机距离底板0.73米处，且气流阻力被调节到特定水平时，这创造了一个让空气平稳穿过叶片的“甜点”状态。
除了节省能源外，涡轮机还改善了服务器的实际冷却效果。在模拟中，涡轮机的存在有助于将冷空气更均匀地分布到地板砖上。这使得通道内的温度更加均匀，减少了原本会被吸入服务器前端的热空气量。团队观察到，与没有涡轮机的房间相比，服务器入口处的温度下降了约2摄氏度。这意味着服务器可以运行得更凉爽、更高效，从而可能延长其寿命并减轻主空调单元的负荷。研究人员使用了一种称为“熵传导法”（Entransy approach）的特定分析方法来测量热量在系统中的移动效率。这种方法帮助他们量化了气流组织性的改进，证实了涡轮机有助于将混乱的空气组织成更有序、更有效的流体。
为了确保研究结果的稳健性，研究人员使用了一种称为“响应面法”（Response Surface Methodology）的统计技术。这使他们能够绘制出涡轮机位置、空气阻力与冷却系统整体性能之间的关系图。他们发现，最佳结果来自于特定因素的组合：对于最优冷却效率，需要适度的空气阻力和距离底板约0.21米的高度；而对于最大发电量，高度则为0.73米。计算机模型以极高的精度预测了这些结果，显示出与详细计算相比极小的误差范围。该研究表明，在数据中心的底板空间添加一个简单的涡轮机是提高能源效率和冷却性能的一种可行方法。它将一种浪费的力量——奔涌的空气——转化为了一个有用的工具，为管理现代计算设施复杂的热环境提供了一种新途径。
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