2021年MathorCup C题海底数据中心的散热优化设计-韭研公社

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2021年MathorCup C题海底数据中心的散热优化设计

无名小韭72721106

2021-11-21 21:41:06

问题背景

目前全球数据中心能源消耗成本约占整个IT行业接近一半，其中电子器件散热所需消耗的能量占主要位置。因此，海底数据中心通过与海水进行热交换，利用巨量流动海水对互联网设施进行散热，有效节约了能源，对数据中心散热问题的研究具有重要意义。

问题1：固体在液体中的冷却的方式主要是对流传热，对流传热可分为自然对流和强制对流。假定数据中心集装箱的尺寸为直径 1m，长 12m的圆柱形，悬空放置（圆柱形轴线与海平面平行）在中国南海温度为20摄氏度的海域深度，其中单个1U 服务器的产热为500W（正常工作温度不能超过80摄氏度），1U服务器机箱的高度为44.45毫米，宽度为482.6 毫米，长度为525毫米，请评估单个集装箱外壳中最多可以放多少个服务器（仅考虑服务器的散热需求）。

问题 2：假定集装箱外壳最大尺寸不超过 1m×1m×12m，结合第一问的分析，如何设计集装箱外壳的结构（如在圆柱体，长方体等上考虑翅片结构），可以实现最大化的散热效果，即存放更多的服务器。

问题 3：较深的海水具有较低的温度，能取得更好的散热效果，同时增大的压力会对集装箱外壳的耐压能力提出更高的要求；值得注意的是海水本身是一种强的腐蚀介质，直接与海水接触的各种金属结构物都不可避免地受到海水的腐蚀。请在问题 2 的基础上进一步选择合适的材料和海底深度进行优化设计，进一步提高散热效果，并尽可能降低成本，提高使用年限。

问题 4：潮汐和季节会改变局部水位和温度，并带来暂时性的海水流动，可能对数据中心的散热带来一定影响。请考虑潮汐和季节变化等因素对海底数据中心集装箱散热效果的影响。

问题 5：竞赛组委会希望大家可以根据自己的分析结果写一封建议信给相关公司的海底数据中心散热设计部门。

思路：

通过研究海底数据中心的散热问题，利用牛顿冷却定律，研究固体在液体中的换热原理，给出在海底的热交换模型，得到综合指数较高的的海底数据中心集装箱外壳的设计方案。

问题一：基于傅立叶定律建立固体在海底中的对流换热模型，确定整个散热装置的换热系数，通过对自然对流和强制对流两种不同的对流模式讨论，同时由能量守恒定律得到集装箱中建立服务器个数与换热系数的关系，由此可求得单个集装箱外壳中最多可以放服务器的数量。

问题二：在问题1模型的基础上，给出新的设计方案的表面积及体积给出考虑集装箱散热状况下的，求的新设计集装箱的可利用空间最多存放服务器的数量，通过计算得到最优的设计方案。

问题三：对附件所给出材料的数据进行整理，以各个属性的确定评价指标，建立熵权法模型从而得到各个指标的权重，根据组合权公式得到各个材料的综合评价值，依据各个材料所具有的功能分类，在集装箱制作过程中选取同类别中综合属性较高，价格较为适中的材料，从而得到综合成本最低，性能最好的集装箱。

问题四：通过相关研究建立潮汐与季节变化对海底海水的物性模型，将所得结果代入问题一的模型中，从而得到潮汐与季节变化对集装箱的散热具有较大的影响。

问题五：基于研究结果，通过分析集装箱的工作原理、集装箱设计的要点以及集装箱的组成材料的综合指数，给出设计集装箱的建议。

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海兰信

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