没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
第十一届 MathorCup C题优秀论文3.pdf
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 136 浏览量
2024-03-14
22:06:54
上传
评论
收藏 3.05MB PDF 举报
温馨提示
试读
27页
mathorcup数学建模挑战赛获奖论文,历届,单项文件,内容丰富,大学生数学,数学竞赛,参考资料
资源推荐
资源详情
资源评论
队伍编号
21190040007
题号
C
基于有限差分法的散热机理建模与海底数据中心优化设计
摘 要
本文从热力学理论和场理论出发,建立了三维传热模型,并使用计算机数值模拟得
到温度场的分布。并在此基础上讨论了影响散热效果的各种因素。进一步对不同问题中
服务器个数进行了优化。
对问题一,首先结合 热传导定律和能量守恒方程推导出温度分布需满足的
微分方程,并结合边界条件与场的唯一性定理,建立了三维传热模型。其次,采用有限
差分法将圆柱体进行划分,并选取 迭代法,求解出服务器分布给定时的最
高温度。接下来,我们引入“模块化”思想简化问题,对服务器的放置进行了优化,最
后得到结论:在仅考虑服务器的散热需求下,最多可在圆柱体外壳内摆放 449 个服务器,
有效空间利用率为 73.7%。
对问题二,对可以解释的传热面积进行定量分析;对于难以使用机理分析解释的湍
流问题,参照文献结论进行定性分析。构建单目标优化模型,得到以下优化原则:
Ⅰ.尽可能充分利用外壳表面积加装翅片;
Ⅱ.安装翅片尽量不要占用外壳内部的体积;
Ⅲ.在允许体积范围内让翅片尽可能高;
Ⅳ.翅片的厚度、翅片间的间隙应视具体情况取一个较小值;
Ⅴ.可以在翅片上制作凸起以增大传热表面积。
假设翅片的加装使得外壳的散热效果达到了理想状态,即外壳温度等于海水温度时,
得到的优化结果是 493 个机箱,有效空间利用率为 81.0%。
对问题三,为找出最优的数据中心外壳材料,首先对附件给出的材料进行初筛,剔
除一些明显不合适与水下场景的材料。然后,构建综合评价决策模型,采用 解法
在成本、耐压性能、抗腐蚀性能三个指标上对剩余材料给出综合评分,最终求得综合性
能最优的材料型号为 ,其具有令人满意的成本和使用年限。在问题 2 的
基础上采用该材料,使用模块化摆放策略得到的最优解为 549 个,将有效空间利用率进
一步提升至 90.1%。
对问题四,季节和洋流对散热的影响具体表现在水温的长期和短期变化,以及水流
的定向流动。将长期和短期变化分开考虑,得到不同的结论和建议,其中研究水温短期
变化对散热的影响采用了复频域分析法。并分析了潮汐导致海水定向流动对散热的影响。
综合以上分析得出结论:水温整体水平的变化会影响散热条件,水温升高散热条件变差,
反之变好,水温的快速变化对外壳材料提出新的要求;而洋流的流动会使得数据中心表
面温度分布不均,出现局部高温,使散热条件变差。
对问题五,按照要求给华为公司的有关部门写了一封建议信,综合了以上问题中得
出的结论,对实际的工程建设具有一定的指导意义。
最后,对模型进行误差分析及稳定度与灵敏度检验,证明了简化假设和模型建立的
合理性。
关键词:牛顿冷却定律;有限差分法; 迭代法; 综合评价模型;频域分析法
更多数模资讯和学习资料,请关注b站/公众号:数学建模BOOM
精品课程:https://k.weidian.com/z=camKMb
1 问题重述 ...................................................................................................................... 1
1.1 问题背景 ........................................................................................................................... 1
1.2 问题重述 ........................................................................................................................... 1
2 问题分析 ...................................................................................................................... 1
3 模型假设 ...................................................................................................................... 2
4 符号说明 ...................................................................................................................... 2
5 我们的工作 .................................................................................................................. 3
6 模型的建立与求解 ....................................................................................................... 3
6.1 建模前的准备 ..................................................................................................................... 3
6.1.1 推导泛定方程 ....................................................................................................................... 3
6.1.2 量化外壳温度 ....................................................................................................................... 4
6.1.3 边界条件 ............................................................................................................................... 4
6.2 问题一的建模与求解 ......................................................................................................... 5
6.2.1 温度分布模型的建立与求解 ............................................................................................... 5
6.2.2 服务器的“模块化”处理 ........................................................................................................ 7
6.2.3 优化模型的建立和求解 ....................................................................................................... 8
6.2.4 本问解答中得到的一个重要结论 ..................................................................................... 10
6.3 问题二的建模与求解 ....................................................................................................... 10
6.3.1 翅片对散热影响的初步分析 ............................................................................................. 10
6.3.2 对占用面积的优化 ............................................................................................................. 11
6.3.3 优化翅片的安装策略 ......................................................................................................... 11
6.3.4 分析翅片设计的原则 ......................................................................................................... 13
6.3.5 分析模型所得结论 ............................................................................................................. 13
6.4 问题三的建模与求解 ....................................................................................................... 13
6.4.1 海水水温、压强及腐蚀度与深度的关系 ......................................................................... 13
6.4.2 建立综合评价模型 ............................................................................................................. 14
6.4.3 综合评价模型的求解 ......................................................................................................... 15
6.4.4 求解的结果 ......................................................................................................................... 17
6.5 问题四的建模与解决 ....................................................................................................... 18
6.5.1 季节导致的海水温度变化对散热的影响 ......................................................................... 18
6.5.2 潮汐导致海水定向流动对散热的影响 ............................................................................. 20
6.5.3 季节和潮汐对散热影响的总结 ......................................................................................... 21
问题五的解决 ........................................................................................................................ 21
7 结果检验及误差分析 ................................................................................................. 22
7.1 当 发生一定范围内的变化时, 的变化情况分析 .................................................. 22
7.2 和 (集装箱半径的误差)的关系分析 ................................................................. 23
7.3 模型中,得分排序结果对指标权重变化的敏感性分析 ..................................... 23
8 模型评价 .................................................................................................................... 23
9 模型改进与推广 ......................................................................................................... 24
10 参考文献 .................................................................................................................. 24
第 1 页 共 24 页
1 问题重述
1.1 问题背景
在高速发展的信息时代,数据中心的高度集成化导致机房内部各种设备越来越
多,消耗了大量能量,而在其中电子器件散热能耗占比极大。目前散热能耗问题已经
成为数据中心建设过程中最为关注的内容之一。
传统大数据中心主要建设在内陆地区,不仅占用了大量土地,而且冷却设备需要
消耗大量的电能和冷却水资源,因此为了解决散热能耗问题,日前提出了“海底数据
中心项目”的新概念。
“海底数据中心项目”是将多种互联网设施集成在带有先进冷却功能的海底密闭
的压力容器中,用海底复合缆供电,并将数据回传至互联网;海底数据中心利用流动
海水对互联网设施进行散热,有效节约了能源。相比与传统数据中心,其对岸上土地
占用极少,没有冷却塔,无需淡水消耗,既可以包容海洋牧场、渔业网箱等生态类活
动,又可与海上风电、海上石油平台等工业类活动互相服务。简而言之,将数据中心
部署在沿海城市的附近水域可以极大地缩短数据与用户的距离,不仅无需占用陆上资
源,还能节约能源消耗,是完全绿色可持续发展的大数据中心解决方案。
1.2 问题重述
问题一:圆柱形数据中心的尺寸已给出,其悬空放置在 20℃的海水里,内部单个服
务器的产热为 500W(即正常工作温度不能超过 80 摄氏度),服务器尺寸也已给出,请评
估单个集装箱外壳中最多可以放多少个服务器。
问题二:结合第一问的分析,考虑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。
问题三: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。海水本身是一种强腐蚀介质,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。要求在问题二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。
问题四: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。
问题五:根据之前问题的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。
2 问题分析
问题一:本题给出了集装箱、服务器的尺寸,以及服务器的产热和耐热性能。要求
对允许的最大服务器数量进行评估。解题重点在于建立能够模拟集装箱内部温度分布情
况的模型,并求解出内部的最高温度。此后基于得到的结果,构建优化模型以达到优化
服务器数目的目的。拟采用机理分析法建立关于温度的微分方程,再使用计算机进行模
拟求解。并构建优化模型得到最大服务器数目。
第 2 页 共 24 页
问题二:在第一题的基础上,本题要求加装散热翅片,优化散热以达到存放更多服
务器的目的,因此需要考虑翅片结构对于外壳散热的影响。本题难点在于翅片的加装会
导致外壳附近产生湍流,而湍流是难以使用机理分析法进行精确建模的。解决方法是通
过分析相关文献得出定性分析,对于可以定量考虑的部分因素(如表面积等)进行定量
分析。由此得到翅片设计的优化方案,进一步得出散热情况达到理想时最大服务器数目。
问题三:,本题要求在第二题的基础上考虑材料的选取和海水温度的变化对散热的
影响。其重点在于厘清海水深度、温度、海水压强、腐蚀度等变量和材料各项理化性质
之间的关系。解决方法是结合附录中的材料种类,采用 综合评价模型对离散的材
料性质进行评估,选取综合性能最优良的材料,并以此为基础继续优化服务器数量
问题四:本题要求结合新的影响因素(潮汐和季节变化),考虑潮汐和季节变化会产
生水温、水流变化对散热效果的影响。问题难点在于所引入的影响因素是前面建模未考
虑到的,需要对模型进行修正,或建立新的模型分析散热效果
问题五:本题要求给互联网的有关部门写一封建议信,综合考虑对之前问题分析所
得出的结论,并给出有实际应用价值的建议。
3 模型假设
基于部分研究支撑及对次要问题的简化,我们做出如下假设:
(1)集装箱外壳与海水之间的传热方式为对流传热、集装箱外壳与内部的传热方式为
热传导。
(2)无洋流情况下,集装箱所在区域附近的海水温度可认为是均匀分布的。
(3)集装箱外壳材料均匀且具有各向同性。
(4)集装箱内部由空气传热,空气具有各向同性。
(5)不计空气受热膨胀对集装箱内部空气热力学参数的影响。
(6)每个机箱持续发热且功率相等,均为 500 。
4 符号说明
符号
含义
单位
集装箱散热总面积
集装箱内表面温度
℃
海洋温度
℃
集装箱内温度最大值
℃
服务器数量
个
集装箱高度
集装箱截面直径
第 3 页 共 24 页
5 我们的工作
6 模型的建立与求解
6.1 建模前的准备
6.1.1 推导泛定方程
为建立传热模型,首先引入热量守恒定律如下:
……(1)
基于定解问题的适定性,推导泛定方程如下:
① 温度变化所需能量 :
设物体 的比热容为 ,密度为 ,那么包含点( )的体
积微元 的温度从 变为 所需要的热量为:
则整个物体温度变化所需要的能量 为:
=
……(2)
② 净传入的能量 :
由 热传导定律,从 到 这段时间进入空间的热量为:
……(3)
剩余26页未读,继续阅读
资源评论
阿拉伯梳子
- 粉丝: 1661
- 资源: 5735
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
最新资源
- CnWizards delphi插件 变量高亮 delphi工具
- 用K210进行垃圾识别,通过串口发送不同信号给stm32,控制步进电机进行分类,并且语音播报.zip
- 基于Matlab 实现单径瑞利信道下,交织与卷积编码对误码率影响仿真
- 基于PCL的平面点云格网可视化程序代码
- DataSphereStudio是一个一站式数据应用程序开发和管理门户,涵盖数据交换、脱敏/清理、分析/挖掘、质量测量、可视化等
- python对mysql的操作
- 基于python opencv实现的图像上色源码+项目说明.7z
- 智能车相关外设模块,包含寻迹传感器、编码器、电机驱动、舵机、TFT彩屏、按键、蜂鸣器、无线通讯八个模块
- 可以使用的jdk8 离线镜像安装
- HBase总结.xmind
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功