用于在电子系统中预测温度值的系统和方法

摘要

根据本发明的至少一个实施方式，提供了一种用于评估电子系统的冷却性能的计算机实现方法。该方法包括如下行为：将电子系统划分为包括多个流体单元和多个固体单元的计算网格；利用势流模型分析，来为多个流体单元确定气流值；通过计算从任何邻接流体单元和从任何邻接固体单元，传递到一个流体单元的热量，来确定该流体单元的温度；通过计算从任何邻接固体单元传递到一个固体单元的热量和从该固体单元向外传递到任何邻接流体单元中的热量，来确定该固体单元的温度；以及将气流值、和流体单元的温度、及固体单元的温度存储在储存设备上。

说明书

背景技术

发明领域

根据本发明的至少一个实施方式，总体上涉及对于电子冷却系统的管理和设计的各种系统和方法，并且尤其涉及用于预测电子系统内部的冷却性能的各种系统和方法，所述电子系统例如，计算机或电信设备、或甚至是全规模的数据中心。

相关技术论述

当配备了可以将电子系统维持在所期望的操作温度范围内的冷却系统时，例如，当配备了与计算机安装设施和其它类型的可以散热的电子设备关联的那些现代化的电子系统时，可以显示出改进的性能。例如，用于电子系统的冷却系统可以包括一个或多个风扇或其它冷却设备，其可以帮助去除例如由处理器、电源或电子系统的其它组件所产生的热量。可能期望在设计阶段建模用于电子设备或系统的冷却系统的效力。

可以利用冷却系统来维持系统内所期望的温度的电子系统的具体形式是网络数据中心。网络数据中心通常由各种信息技术设备组成，其中这些设备被排列在提供络连接性、电力和冷却能力的结构中。通常设备被容纳在被称为“机架”的专门的外壳中，其中该机架集成了那些连接性元件、电力元件和冷却元件。在一些数据中心配置中，这些排被编组为热通道和冷通道，以降低与冷却信息技术设备关联的成本。突起的地板通常被用来为机架提供冷却空气，在该地板下面具有空气隔室。冷却空气通过具备敞开面积的穿孔砖，从空气隔室被分配到机架。

各种过程和软件应用，诸如可以从罗得岛州的西金士顿的美国电力转换(APC)公司得到的数据中心管理系统，已被开发出来用于帮助数据中心人员设计和维护高效且有效的数据中心配置。例如，这些工具通常指导数据中心工作人员完成设计数据中心结构、在安装前确定设备在数据中心内的位置、以及在构造和安装后改变设备的位置的活动。因此，传统工具集为数据中心工作人员提供了标准且可预测的设计方法学。

发明内容

本发明的第一方面针对用来评估电子系统的冷却性能的计算机实现的方法，该系统包括多个物理组件和至少一个冷却提供装置。该方法包括接收关于电子系统的物理结构的信息；将电子系统划分为包括多个流体单元和多个固体单元的计算网格，多个固体单元的位置对应于电子系统内的多个物理组件的位置；利用势流模型分析，来为多个流体单元确定气流值；对于多个流体单元的每个流体单元，通过计算从任何邻接流体单元和从任何邻接固体单元传递到该流体单元的热量，确定该流体单元的温度；对于多个固体单元的每个固体单元，通过计算从任何邻接固体单元传递到该固体单元的热量和从该固体单元向外传递到任何邻接流体单元的热量，确定该固体单元的温度；以及将气流值和流体单元的温度、及固体单元的温度存储在储存设备上。

根据一些实施方式，确定流体单元的温度和固体单元的温度之一包括：利用表征从固体单元到流体单元的热量传递的热量传递系数，其中热量传递系数从实验结果和先前进行的CFD分析中的一个获得。

根据一些实施方式，多个流体单元中的每一个单元是三维单元。

根据一些实施方式，多个固体单元中的每一个单元是一维单元或二维单元。

根据一些实施方式，对多个流体单元中的每一个单元的温度的确定、以及对多个固体单元中的每一个单元的温度的确定被执行多个连续的时间段。

根据一些实施方式，该方法还包括：对在多个固体单元的至少一部分的温度上的热扰乱(disruption)后的时间段内电子系统中的热扰乱的效果进行建模。

根据一些实施方式，该方法还包括：确定修改的气流值，其中在热扰乱后的整个时间段内，在多个流体单元中维持这些修改的气流值。

根据一些实施方式，该方法还包括：根据气流值、流体单元的温度、以及固体单元的温度中的一个，来修改电子系统的物理结构的配置。

本发明的另一方面针对用于评估电子系统中的设备的系统，该设备包括多个冷却消耗装置和至少一个冷却提供装置。该系统包括接口和耦合到接口的控制器。控制器被配置为：接收关于电子系统的物理结构的信息；将电子系统划分为包括多个流体单元和多个固体单元的计算网格，多个固体单元的位置对应于电子系统内的多个物理组件的位置；利用势流模型分析，来为多个流体单元确定气流值；对于多个流体单元的每个流体单元，通过计算从任何邻接流体单元和从任何邻接固体单元传递到该流体单元的热量，来确定该流体单元的温度；对于多个固体单元的每个固体单元，通过计算从任何邻接固体单元传递到该固体单元的热量和从该固体单元向外传递到任何邻接流体单元的热量，来确定该固体单元的温度；以及将气流值和流体单元的温度、及固体单元的温度存储在储存设备上。

根据一些实施方式，控制器被配置为：利用表征从固体单元到流体单元的热量传递的热量传递系数，确定流体单元的温度和固体单元的温度之一，其中热量传递系数从实验结果和先前进行的CFD分析中的一个获得。

根据一些实施方式，控制器被配置为：在多个连续的时间段内，确定多个流体单元中的每一个的温度，以及确定多个固体单元中的每一个的温度。

根据一些实施方式，控制器还被配置为：对在多个固体单元的至少一部分的温度上的热扰乱后的时间段内的电子系统中的热扰乱的效果进行建模。

根据一些实施方式，控制器还被配置为：建模多个流体单元的至少一部分的温度上的热扰乱的效果。

根据一些实施方式，其中，所述接口被配置为供用户修改电子系统的物理结构的配置。

本发明的另一方面针对具有被存储在其上的指令序列的计算机可读介质，所述指令序列包括引发处理器执行下列步骤的指令：接收关于电子系统的物理结构的信息；将电子系统划分为包括多个流体单元和多个固体单元的计算网格，多个固体单元的位置对应于电子系统内的多个物理组件的位置；利用势流模型分析，来为多个流体单元确定气流值；对于多个流体单元的每个流体单元，通过计算从任何邻接流体单元和从任何邻接固体单元传递到该流体单元的热量，来确定该流体单元的温度；对于多个固体单元的每个固体单元，通过计算从任何邻接固体单元传递到该固体单元的热量和从该固体单元向外传递到任何邻接流体单元的热量，来确定该固体单元的温度；以及将气流值和流体单元的温度、及固体单元的温度存储在存储设备上。

根据一些实施方式，指令将将引发处理器：利用表征从固体单元到流体单元的热量传递的热量传递系数，确定流体单元的温度和固体单元的温度之一，其中热量传递系数从实验结果和先前进行的CFD分析中的一个获得。

根据一些实施方式，指令将引发处理器：在多个连续的时间段内，确定多个流体单元中的每一个流体单元的温度，以及确定多个固体单元中的每一个固体单元的温度。

根据一些实施方式，指令将进一步引发处理器：对在多个固体单元的至少一部分的温度上的热扰乱后的时间段内电子系统中的热扰乱的效果建模。

根据一些实施方式，指令将进一步引发处理器：建模多个流体单元的至少一部分的温度上的热扰乱的效果。

根据一些实施方式，指令将引发处理器：根据气流值、流体单元的温度、以及固体单元的温度中的一个，来修改电子系统的物理结构的配置的模型。

附图说明

附图并不试图按比例绘制。在附图中，各个图形中示例的每个相同或几乎相同的组件，被用相同的数字表示。为了清楚的目的，并不是每个组件都会在每个附图中被表示出来。在附图中：

图1是计算机系统的一个例子的框图，根据本发明的各个方面可以使用这个例子实现；

图2是包括电子系统管理系统的分布式系统的一个例子的示意图；

图3用实例说明了根据至少一个例子的网格单元的使用；

图4是根据一个例子的过程的流程图；

图5是根据一个例子的过程的流程图；

图6是通过空气流动来冷却的被加热的固体模块的框图；

图7是由可计算的气流动力学方法计算得到的图6的被预测气流和被加热模块的温度、与由根据本发明的方法的实施方式计算得到的图6的被预测气流和被加热模块的温度之间的对比。

具体实施方式

根据本发明的至少一些实施方式涉及系统和过程，通过该系统和过程，用户可以设计和分析电子系统配置。这些系统和过程可以通过允许用户创建从中可以确定性能度量的电子系统配置模型，来帮助这种设计和分析行为。系统和用户都可以使用这些性能度量，来确定满足不同设计目标的可选系统配置。

联网的数据中心在本文中被描述为一种电子系统形式，其中本发明的各个方面和实施方式可以应用该电子系统。然而，可以理解的是：联网的数据中心仅仅被描述为示例例子，且本发明的各个方面和各个实施方式也可以应用其它系统，例如，计算机、视频和/或音频系统、电信系统或其它可产生热量的电子系统。

如同在2011年8月2日发布的专利号为7,991,592、题目为“用于评估设备机架冷却的系统和方法(System and Method for EvaluatingEquipment Rack Cooling)”的美国专利(在此被引用为“专利‘592”)；和在2006年1月27日提交的申请号为11/342,300、题目为“用于管理设施电力和冷却(Methods and Systems for Managing Facility Power andCooling)”的美国专利申请(在此被引用为“申请‘300”)；以及2010年9月17日提交的、申请号为12/884,832、题目为“用于预测数据中心中的穿孔砖气流的系统和方法(System and Method for Predicting Perforated TileAirflow in a Data Center)”的美国专利申请(在此被引用为“申请‘832”)中所描述的，这三篇文献中的每一个都被转让给本申请的受让人；并且为了全部目的，这三篇文献中的每一个在此都通过引用方式被全部并入本文；现代化的数据中心中的典型设备机架将冷却空气吸入到机架的前部，并且将空气从机架后部排出。设备机架和成排的冷却器通常以交替的前/后布置的方式被成排布置，这种交替的前/后布置在数据中心中建立了交替的热通道和冷通道，其中机架的每排的前部朝向冷通道，而机架的每排的后部朝向热通道。被冷通道隔开的设备机架的相邻排可以被称为冷通道集群，而被热通道隔开的设备机架的相邻排被称为热通道集群。此外，单独的设备排还可以被认为，独自形成了热通道和冷通道集群。设备机架的排可以是多个热通道集群和多个冷通道集群的一部分。在参考应用中，工具被提供用来分析数据中心中的机架的集群的冷却性能。在这些工具中，可以在不同布置中执行多个分析，以试图优化数据中心的冷却性能。

在本文的说明书和权利要求中，可以产生热量的电气组件或电子组件，例如机架中的设备、或网络数据中心的机架本身，可以被称为冷却消耗装置。冷却消耗装置并不被限制在这些例子中，而是可以包括其它电子系统，例如计算机、或音频/视频设备、或本领域公知的其它电气系统或电子系统。诸如风扇、液体冷却系统和网络数据中心的例子中的、成排冷却单元和/或计算机房空调器(CRAC)的设备，在本文中可以被称为冷却提供装置。冷却提供装置并不被限制在这些例子中，而是可以包括其它系统，例如，蒸发冷却器、珀尔帖效应冷却器、或本领域公知的其它冷却系统。

在至少一个实施方式中，提供了实时执行关于数据中心中的设备布局的分析的方法，用来提供在设备机架和冷却提供装置内、以及在设备机架和冷却提供装置的入口或排气口处的空气温度的预测、以及数据中心周围温度的预测。

本文所公开的本发明的实施方式和方面，不将其应用限制到附图中所示例的、或下列说明书中阐述的组件的构造和布置的细节。这些方面能够设想其它实施方式，并且能够以各种方式被实践或实现。本文提供了特定实现方式的例子，仅仅用于示例说明的目的而不是旨在被限制。具体地，结合任何一个或多个实施方式所论述的行为、元件和技术特征，并不是旨在被排除在任何其它实施方式中的相似作用之外。

例如，根据本发明的一种实施方式，计算机系统被配置为执行本文所描述的任何功能，其包括但不限于，配置、建模和显示关于特定电子系统配置的信息。此外，实施方式中的计算机系统可以被用来自动地测量电子系统和控制设备(诸如冷冻器或冷却器)中的环境参数，以优化性能。而且，本文所描述的系统可以被配置为包括或排除本文所论述的任何功能。因此，实施方式不是被限制在特定功能或功能集合中。另外，本文所使用的措辞和术语是为了说明的目的，而不能够被认为是限制。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“包括有”及其各种变化，都意味着包括其后列出的项和其等价物、以及额外的项。

计算机系统

本文所论述的根据现有的各个实施方式的各个方面和功能，可以在一个或多个计算机系统中作为软件或硬件实现。存在目前使用的计算机系统的许多例子。这些例子包括网络应用、个人计算机、工作站、大型机、联网的客户端、服务器、媒体服务器、应用服务器、数据库服务器和网络服务器及其它设备。计算机系统的其它例子可以包括：诸如蜂窝电话和个人数字助理的移动计算设备、以及诸如负载均衡器、路由器和交换机的网络设备。另外，根据本实施方式的各个方面，可以被放置在单独的计算系统中，或可以分布在连接到一个或多个通信网络的多个计算系统中。

例如，各个方面和各种功能可以被分布在一个或多个计算机系统之中，所述计算机系统被配置成为一个或多个客户计算机提供服务，或被配置成作为分布式系统的一部分来执行一个总体任务。另外，各个方面可以在客户-服务器或多层系统上执行，其中该多层系统包括：分布在一个或多个服务器系统中来执行各种操作的组件。因此，实施方式不被限制成在任意特定系统或系统组中执行。另外，各个方面可以在软件、硬件或固件、或其任意组合中实现。因此，根据现有的各个实施方式的各个方面，可以在利用各种硬件和软件配置的方法、行为、系统、系统元件和组件内实现，并且所述实施方式不被限制在任何特定的分布式架构、网络、或通信协议。

图1显示了分布式计算机系统100的框图，其中根据现有的各个实施方式的各个方面和功能可以被实践。分布式计算机系统100可以包括一个或多个计算机系统。例如，如同示例的，分布式计算机系统100包括计算机系统102、104和106。如图所示，计算机系统102、104和106通过通信网络108相互连接，并且可以通过通信网络108交换数据。网络108可以包括任何通信网络，通过该通信网络计算机系统可以交换数据。为了利用网络108交换数据，计算机系统102、104和106，以及网络108，可以使用各种方法、协议和标准，其包括：令牌环网、以太网、无线以太网、蓝牙、TCP/IP、UDP、Http、FTP、SNMP、SMS、MMS、SS7、Json、Soap、以及Corba等。为了保证数据传输是安全的，计算机系统102、104和106可以通过网络108，利用包括TLS、SSL或VPN及其它安全技术的各种安全措施，来传输数据。尽管分布式计算机系统100示例了三个联网的计算机系统，但是分布式计算机系统100可以包括利用任何媒体和通信协议联网的任意数目的计算机系统和计算设备。

根据现有的各个实施方式的各个方面和功能，可以被实现为：专门的硬件和在包括图1中所示的计算机系统102的一个或多个计算机系统中执行的软件。如所描述的，计算机系统102包括处理器110、存储器112、总线114、接口116和储存器118。处理器110可以执行产生所操作的数据的一系列指令。处理器110可以是商业上可获得的处理器，诸如因特尔的奔腾处理器、摩托罗拉的PowerPC、SGI的MIPS、Sun Ultra的SPARC、或Hewlett-Packard的PA-RISC处理器，但是还可以是比如许多其它可用的处理器和控制器的任何类型的处理器、多处理器、微处理器、或控制器。处理器110，通过总线114被连接到其它系统元件中，所述其它系统元件包括一个或多个存储设备112。

在操作计算机系统102的过程中，存储器112可以被用来存储程序和数据。因此，存储器112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)。然而，存储器112可以包括用来存储数据的任何设备，诸如硬盘驱动、或其它非易失性的、非暂时性的储存设备。在某些情况下，根据本发明的各种实施方式，可以将存储器112组织成特殊且唯一的结构，来执行本文所公开的各个方面和各个功能。

计算机系统102的组件，可以通过诸如总线114的互联元件耦合。总线114可以包括一个或多个物理总线、例如，被集成到相同机器内部的组件之间的总线；但是还可以包括：包括专用计算总线或标准计算总线技术的系统元件之间的任何通信连接，诸如IDE、SCSI、PCI和无限宽带(InfiniBand)。因此，总线114能够在计算机系统102的系统组件之间进行通信交换，例如数据和指令交换。

计算机系统102还包括一个或多个接口设备116，诸如输入设备、输出设备和输入/输出设备的组合。接口设备可以接收输入或可以提供输出。更具体地，输出设备可以为外部呈现提供信息。输入设备可以接收来自外部源的信息。接口设备的例子包括：键盘、鼠标设备、跟踪球、麦克风、触摸屏、打印设备、显示屏、扬声器、网络接口卡等。接口设备允许计算机系统102与诸如用户和其它系统的外部实体，进行信息交换和通信。

储存系统118可以包括计算机可读和可写的、非易失性的、非暂时性的储存介质，在该储存介质中存储了定义了由处理器执行的程序的指令。储存系统118还可以包括被记录在介质上或介质内部的信息，并且该信息可以被程序处理。更具体地，该信息可以被存储在一个或多个数据结构中，其中该数据结构专门被配置为节省储存空间或提高数据交换性能。指令可以被持续的存储为编码信号，并且该指令可以引起处理器执行本文所描述的任何功能。例如，该介质可以是光盘、磁盘、或闪存等。在操作中，处理器或一些其它控制器可以引起数据，被从非易失性的记录介质中读取到诸如存储器112的另一个存储器中，以允许处理器比从包括在储存系统118中的存储介质访问时更快地访问该信息。存储器可以被放置在储存系统118中或存储器112中，然而，处理器110可以操作存储器112内的数据，并且在处理结束后，随后可以将数据复制到与储存系统118关联的介质中。各种组件可以管理数据在介质和集成电路存储元件之间的移动，并且当前所描述的实施方式不会被限制成这样。另外，各个实施方式不被限制为特定的存储系统或数据储存系统。

尽管计算机系统102被以例子的方式显示为一种类型的计算机系统，在其上可以实践根据现有的各个实施方式的各个方面和功能，但是当前公开的各个实施方式的任何方面不被限制为：被实现在如图1中所示的计算机系统上。根据当前公开的各个实施方式的各个方面和功能，可以被实践在：具有与图1所示的组件和结构、不同的组件和结构的一个或多个计算机上。例如，计算机系统102可以包括专门编程的、专用目的的硬件，诸如例如，被定制为执行本文所公开的特定操作的专用集成电路(ASIC)。然而，另外一个实施方式利用几个运行MAC OS系统X的、带有摩托罗拉的PowerPC处理器的通用目的计算设备，以及几个运行专有硬件和操作系统的专用计算机设备，可以执行相同的功能。

计算机系统102可以是包含操作系统的计算机系统，所述操作系统管理包含在计算机系统102中的硬件元件的至少一部分。通常，诸如处理器110的处理器或控制器执行操作系统，例如，所述操作系统可以是诸如Windows NT、Windows2000(Windows ME)、Windows XP或Windows Vista操作系统的从微软公司得到的基于Windows的操作系统、从苹果计算机公司得到的MAC OS系统X操作系统、许多基于Linux的操作系统发布中的一个，例如可以从红帽子公司得到的企业版Linux操作系统、可以从Sun微系统公司得到的Solaris操作系统、或可从各种来源得到的UNIX系统。许多其它的操作系统可以被使用，并且各个实施方式不被限制在任何特定的实现。

处理器和操作系统一起定义了计算机平台，可对该计算机平台编写高级编程语言的应用程序。这些组件应用程序可以是诸如C-的可执行的中间字节码，或者可以是利用诸如TCP/IP的通信协议的诸如因特网的通信网络进行通信的解释码。类似地，根据当前公开的实施方式的各个方面，可以利用面向对象编程语言来实现，诸如利用.Net、SmallTalk、Java、C++、Ada、或C#(C-Sharp)来实现。其它面向对象编程语言也可以被使用。可选地，函数、脚本、或逻辑编程语言可以被使用。

另外，根据当前公开的各个实施方式的各个方面和功能，可以在非编程环境下实现，例如以HTML、XML、或其它格式建立的文件形式实现，其中当在浏览器程序的窗口中查看上述文件时，提供图形-用户界面的各个方面或执行其它的各个功能。另外，根据本发明的各个实施方式，可以被实现为可编程元件或非可编程元件、或其任意组合。例如，网页可以利用HTML来实现，但是从网页内部调用的数据对象可以用C++编写。因此当前公开的各个实施方式，不被限制在特定编程语言、而是还可以使用任何合适的编程语言。

被包括在实施方式内部的计算机系统，可以执行当前公开的各个实施方式的范围之外的其它功能。例如，系统的方面可以利用已有商业产品来实现，诸如例如，诸如可从华盛顿州的西雅图的微软公司得到的SQLServer、可从加利福尼亚州的红木海岸的Oracle公司得到的Oracle数据库、以及可从MySQL AB得到的MySQL数据库的数据库管理系统，诸如来自纽约州的阿蒙克市的IBM公司的Web Sphere中间件的Oracle辅助产品或集成软件产品。然而，例如，运行SQL Server的计算机系统，可以能够同时支持根据当前公开的各个实施方式的各个方面，以及用于各种应用的数据库。

示例系统架构

图2呈现了包含分布式系统200的物理和逻辑元件的背景(context)图。如图所示，分布式系统200根据当前公开的各个实施方式被专门配置。关于图2引述的系统结构和内容仅仅是为了示例性的目的，并且不是旨在将所述各个实施方式限制在图2中所示的特定结构。图2将数据中心用作电子系统的例子，可以将本发明的各个方面和各个实施方式应用到该电子系统，然而，本发明考虑了被应用到其它系统中，例如计算机、视频/音频系统、消费类电子、或本领域公知的任何其它电气系统或电子系统。本领域的任何一个普通技术人员都清楚的是，可以构造许多变化的系统结构，而没有偏离当前公开的各个实施方式的范围。图2中所呈现的特定布置被选择来提高清楚度。

信息可以利用任何技术，在元件、组件和图2中所描述的子系统之间流通。例如，这些技术包括在网络中通过TCP/IP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、或一些其它非易失性存储设备，来传递信息。其它技术和协议可以被使用，而没有偏离当前公开的各个实施方式的范围。

参考图2，系统200包括用户202、接口204、数据中心设计和管理系统206、通信网络208和数据中心数据库210。系统200可以允许诸如数据中心设计人员或其它数据中心工作人员的用户202和接口204交互，以创建或修改一个或多个数据中心配置的模型。根据一种实施方式，接口204可以包括地板编辑器和机架编辑器的各个方面，它与在2008年5月15日提交的、题目为“用于管理设施电力和冷却的方法和系统(Methods andSystems for Managing Facility Power and Cooling)”、申请号为PCT/US08/63675的专利合作条约申请所公开的地板编辑器和机架编辑器一样，其在此通过引用方式被全部并入，且此后其被引用为PCT/US08/63675。在其他实施方式中，接口204可以利用能够让用户202以拖放形式进行设计的、包含数据中心或其任何子集的物理布局的表示的模型的专用设施来实现。该布局可以包括数据中心结构组件和数据中心设备的表示。如在根据本发明的各种实施方式中可以发现的，接口204的特征在下文中进一步论述。在至少一个实施方式中，关于数据中心的信息通过接口被输入到系统200中，并且对数据中心的评价和推荐被提供给用户。另外，在至少一个实施方式中，优化过程可以被执行，来优化数据中心的冷却性能和能源使用。

如图2所示，数据中心设计和管理系统206为用户202呈现数据设计接口204。根据一种实施方式，数据中心设计和管理系统206可以包括，如PCT/US08/63675中所公开的数据中心设计和管理系统。在该实施方式中，设计接口204可以并入包含在PCT/US08/63675中的输入模块、显示模块、和构建模块的功能，并且可以使用数据库模块来存储和检索数据。

如同示例的，数据中心设计和管理系统206可以通过网络208和数据中心数据库210进行信息交换。该信息可以包括：所需要的支持数据中心设计和管理系统206的各个特征和各种功能的任何信息。例如，在一个实施方式中，数据中心数据库210可以包括：被存储在PCT/US08/63675所描述的数据中心设备数据库中的至少一些部分。在另一个实施方式中，该信息可以包括：所需要的用于支持接口204的任何信息，例如，一个或多个数据中心模型配置的物理布局、包含在模型配置中的冷却提供装置的生产和分配特性、模型配置中的冷却消耗装置的消耗特性、以及包含在集群中的设备机架和冷却提供装置的列表等。

在一个实施方式中，数据中心数据库210可以存储冷却提供装置的类型、由每种类型的冷却提供装置所提供的冷空气的数量、和由冷却提供装置所提供的冷空气的温度。因此，例如，数据中心数据库210包括数据中心内的特定类型的CRAC单元的记录，即额定以每分钟5,600立方英尺(cfm)的速率传递温度为68华氏度的气流。此外，数据中心数据库210可以存储一个或多个冷却度量，诸如CRAC的入口温度和出口温度、以及一个或多个设备机架的入口温度和排气口温度。温度可以被周期性地测量，并被输入到系统中；或者在其它实施方式中，利用耦合到系统200的设备，温度可以被持续地监测。

数据中心数据库210可以采用能够在计算机可读介质中存储信息的任意逻辑构造形式，其中包括：平面文件、索引文件、分层数据库、关系数据库或面向对象数据库等。利用唯一性关系和索引、以及外键关系和索引，可以为数据建模。可以在各个字段和各个表之间，建立唯一性关系和索引、以及外键关系和索引，以同时保证数据完整性和数据的交换性能。

如图2中所示的计算机系统包括数据中心设计和管理系统206、网络208和数据中心设备数据库210；每一个都可以包括一个或多个计算机系统。如同上文关于图1所论述的，计算机系统可以具有一个或多个处理器或控制器、存储器和接口设备。图2中所描述的系统200的特定配置，仅仅是用于示例的目的，并且本发明的实施方式可以在其它背景下被实践。因此，本发明的实施方式并不被限制在特定数目的用户和系统。

气流和温度预测工具

用来预测气流模式、压力、空气温度和用来捕获用于数据中心应用的指标的势流模型(PFM)的各个方面和实施方式，被2010年12月16日提交的美国专利申请描述了，其中该美国专利申请(在此被引用为“‘605申请”)的编号为12/970,605，题目为“用于机架冷却分析的系统和方法(System and Methods for Rack Cooling Analysis)”，该专利申请被受让给本申请的受让人，并且为了全部目的，该专利申请在此通过引用方式被全部并入。例如，在并入了设备机架和冷却器的数据中心的一些电子系统中，固体表面对气流造成了阻碍，但是没有直接参与热量传递，例如，所述固体表面是机架和冷却器的侧面、墙等。通常，除了流动边界(例如机架排气口或冷却器回流口)，没有热量流入或流出固体表面。为了提供固体对象温度的准确预测，可能期望“结合(conjugate)”热量传递问题得到解决。“结合”热量传递分析是对耦合的流体温度和固体温度的同时预测，且其涉及穿过固体-流体交界面的热量传递。固体温度的预测还可以被称为“传导分析”，因为传导是固体内部所参与热量传递的唯一方式。这通常被实现在：用于诸如预测重要组件温度(例如，CPU内部的“接点”温度)的应用的全计算流体动力学(CFD)方法中。根据采用PFM的本发明的各个实施方式的计算方法，可以提供与全CFD分析类似的预测，但是却需要少得多的计算。

本发明的至少一些方面和实施方式，延伸了PFM方法，来控制结合热量传递，其中主要应用是电子设备冷却。然而，本发明的方面和实施方式可以适用于一些流体和固体温度必须被同时计算的系统。其它显著应用包括数据中心、消费电子设备、一般的商业建筑和公共建筑、以及工业应用，其中涉及的流体可以是空气、水、或任何其它流体或气体。

结合PFM(CPFM)

组合的PFM和固体传导热量传递，在本文中将被称为“结合PFM(CPFM)”。对于稳定态应用，流体流动可能仅仅需要被确定一次；然而，对于瞬时分析，流体流动模式可能按照需要多次被确定，例如，在风扇故障或风扇速度变化之后。在一些实施方式中，新的流体流动模式仅仅在瞬时事件之后被确定一次。相同的新的流体流动模式可以，被用在在瞬时事件之后的多个时间段的温度计算中。确定使用PFM分析的流体流动模式，在此将不再回顾，因为这些内容已经被充分描述，例如已在‘605申请中描述。然而，需要注意的是，在电子设备冷却和其它应用中，经过风扇的流动速率通常强烈地取决于风扇被放置的环境。在这种情况下，压力和速率可以被计算，以便风扇流动速率可以根据厂家提供的数据来确定。这可能类似于确定通过穿孔砖的气流，诸如在申请‘832中所描述的。

在PFM中，流体流动被理想化为非旋转的。这种理想化在PFM能力中设置了对预测复杂二次循环区域、喷流和其它流特征的一些限制。另外，浮力通常不包含在PFM预测中。因此，浮力相对于动力越小，则CPFM将更准确，例如在由风扇驱动的气流中。作为对实际物理过程的一些准确度(fidelity)损失的回报，PFM相比CFD极为简单且更可靠(即它实质上总是收敛到答案)，并且在求解时间上，相对于CFD需用几分钟到几小时的求解时间，其求解时间通常是几秒。对于许多应用，相对于CFD的准确性的降低可以最小，而其它情况中，它可以是适度且正当的，例如，因为在早期设计阶段只需要合理的估计、或者精确的输入数据是不可获得的，从而导致附加的CFD的理论求解准确性将不能在实践中实现。

稳定态应用

使用CPFM，将被建模的体积划分成网格单元，这与使用PFM中所做的一样，但是使用CPFM，计算网格在固体和流体内都被定义。在各个方面中，网格单元可以是任意一个一维单元、二维单元、或三维单元。在另外的方面中，固体对象更可以被表示为一维热网络，而非带有多维单元的网络。在一些实施方式中，只考虑固体对象和流体对象(诸如空气)之间的交界面，并且不能为固体对象内部的温度或热量流动执行计算。图3显示了流体-固体交界面的任意一侧上的一般流体网格单元和固体网格单元。本图中的单元标记中的下标“N”、“S”、“E”和“W”是指：分别在所关注的带有下标“i”的单元的北边的单元、南边的单元、东边的单元和西边的单元。本图中的单元标记中的上标“f”、“s”分别指示：单元是否是流体(例如空气)或固体的一部分。黑色箭头表示：流经单元各个面的热量流动的假定方向，并且还表示：用于流体单元的各个流体流动的方向。为了让之后的分析简单和清楚，网格单元被假定为所有边的长度都为Δx的完美的立方体，并且仅仅对2D情况展开了等式。在一些实施方式中，可以轻易地扩展该方法，以包括非均匀网格单元、非结构化的网格单元和3D情景。在之后的各个例子中，气流速度被假定为根据PFM分析是可知的。

流体网格单元上的稳定态能量平衡，服从用于流体单元温度的等式：

$>T_i^f=\left(\frac{1}{1+\frac{h}{V_W{\rho }^f{c}_p^f}}\right)T_W^f+\left(\frac{1}{1+\frac{V_W{\rho }^f{c}_p^f}{h}}\right)T_i^s---\left(1\right)$>

其中，是流体单元i的温度；是流体单元i西边的流体单元的温度；是固体单元i的温度；V_N、V_E和V_W分别是经过到北边、东边和西边的单元边界的已知流动速度；h是热量传递系数；ρ^f是流体的密度；而是流体的具体热量。等式(1)还被简化来反映这样的事实，即对于这个简单的例子V_N+V_E＝V_W。热量传递系数通过牛顿冷却定律被定义为：

q″′＝h(T^s-T^f)(2)

其中q″′是每单位面积的热量传递(例如，以W/m²为单位)，并且T^s和T^f分别是固体温度和流体温度。热量传递系数取决于表面附近的流动模式和流体的物理特性，并且热量传递系数与对简单配置的实验测量结果紧密相关，所述简单配置比如通过平板的均匀流。对于平板配置的相关性为：

$>\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{Nu}=0.664{\mathrm{Re}}^{\frac{1}{2}}{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}& \mathrm{if}& \mathrm{Re}<5x{10}^5\\ \mathrm{Nu}=(0.037{\mathrm{Re}}^{4/5}-871){\mathrm{Pr}}^{1/3}& \mathrm{if}& \mathrm{Re}\ge 5x{10}^5\end{array}\right)---\left(3\right)$>

其中，

，其为热量传递系数的无量纲形式

，其为确定流态的无量纲数

，其为概括流体的一些物理特性的无量纲数

L＝特征长度刻度

K＝流体的热传导性

V＝特征流体速度

μ＝流体的粘性系数

上文中等式(1)的推导中，标准“上风向”模型被使用，其中假定能量仅仅沿着流动方向被引导到网格单元内、或被引导到网格单元外。该等式还忽略了流体中的传导热量传递，这是因为对流(即能量传递到流体的整体运动)通常是占主导的。在一些实施方式中，这些项可能报被包括在分析中，并且用于所有相邻单元的温度的项将出现在等式(1)中。

经过图3的固体网格单元的各个面的能量传递，除了存在具有流体的对流热量传递的顶部面(top face)，完全是由于传导。固体单元上的稳定态能量平衡，服从用于固体单元i的温度的等式：

$>T_i^s=\left(\frac{1}{3+\frac{\mathrm{h\Delta x}}{k^s}}\right)(T_W^s+T_E^s+T_S^s)+\left(\frac{1}{1+\frac{{3k}^s}{\mathrm{h\Delta x}}}\right)T_i^f---\left(4\right)$>

其中和分别是西边的单元、东边的单元和南边的单元的固体温度；而k^s是固体的热传导率。

对于稳定态应用，可以为所有网格单元编写类似于等式(1)和(4)的各个等式。等式的确切形式可以根据单元的位置而不同，其中单元的位置定义了单元每个面上的状况。例如，对于被其相同类型的其它单元完全围绕的流体单元或固体单元，不存在流体-固体接触面，并且等式将不包括热量传递系数h。等式可以利用各种技术中的任何一种技术求解，例如用高斯-塞德尔迭代法求解；并且求解可以在每次迭代中遍历(sweep through)所有固体和流体单元；或者在返回到其它区域之前，许多迭代可以在流体和固体中分别执行。某种迭代可能需要在流体和固体之间反复，这是因为边界单元的温度影响其它区域中的温度。流体温度和固体温度的耦合，由热量传递系数h来帮助实现。该热量传递系数由根据任意一个“脱机”执行的CFD分析所确定的实验相关性或经验相关性来确定；而h可以部分根据如在PFM分析中所确定的局部流体流动速度来确定。

稳定态求解过程的流程图在图4中示出，总体上被表示为400。在读取所有关于数据中心配置的数据后(行为410)；计算网格被定义(行为420)；并且根据PFM分析来确定流体流动模式，即在每个单元面的速度(行为430)。接下来，流体单元和固体单元中的温度分布被后续确定(如行为440-460)。这些过程持续执行，直到残留误差(所有单元上的能量流动的不平衡)被认为比阈值要小(行为470)，例如被分析的系统中所散发的所有功率的0.5％。然后把结果输出给用户(行为480).

瞬时应用

在瞬时情景中，流体流动可以被建模为一系列稳定态流动模式，其中所预测的流动模式的数量取决于被分析的情景。该情景可以包括热扰乱；即从热量源产生的热量增加或减少的事件，其包括当热量源被启用或被禁用时的事件；或者冷却提供装置变为更有能力或更没有能力从系统中去除热量的事件，其包括冷却提供装置被启用或被禁用的事件。例如，考虑桌面计算机正常运行时的情景，然后，在某一参考时刻t＝0，两个冷却风扇中的一个发生故障。如果期望确定在t＝0之后的时刻的组件温度，则至少应当确定两个气流模式：即两个风扇都运转的初始气流模式，以及只有一个风扇运转时的后来的气流模式。

用于图3的流体单元i的温度的等式按照如下推导获得，其中该等式包括：被包含在网格单元中的流体的瞬时加热或冷却。瞬时项可以被表示为：

其中，是Δt的时间步长之后的流体单元i的温度；ρ^f是流体的密度；是流体的具体热量；并且是V^f＝Δx³是流体单元体积。将该项包含进用于网格单元i的能量平衡中，将产生用于流体单元在将来时刻的温度的下列表达式：

$>T_i^{f+}=T_i^f+\frac{\mathrm{\Delta t}}{\mathrm{\Delta x}}[V_w(T_W^f-T_i^f)+\frac{h}{{\rho }^f{c}_p^f}(T_i^s-T_i^f)]---\left(6\right)$>

包含图3的固体单元i的瞬时加热或冷却的能量平衡将导致：

$>T_i^{s+}=T_i^s+\frac{\mathrm{h\Delta t}}{\mathrm{\Delta x}{\rho }^s{c}_p^s}(T_i^f-T_i^s)+\frac{\mathrm{k\Delta t}}{{\mathrm{\Delta x}}^2{\rho }^s{c}_p^s}(T_E^s+T_W^s+T_S^s-{3T}_i^s)---\left(7\right)$>

其中，是Δt的时间步长之后的固体单元i的温度。

等式(6)和(7)分别是将来时刻的流体单元和固体单元中的温度的“显式”表示。因此，使用该方法，所有单元中的温度都可以针对给定时间步长进行后续计算。随后，这些温度代入到等式(6)和(7)的右手侧，来计算下个时间步长的温度。该过程持续进行，直到所期望的瞬时时间间隔被覆盖。在一些实施方式中，在等式(5)中可以评估当前时刻的所有相邻单元的温度。

在一些实施方式中，同时表示将来时刻的所有相邻单元的温度，也是可能的。这在本文中其被称为“隐式”方法，因为在单元i的温度不能被分离，并且在等式(6)和(7)中，所有相邻-单元的温度将用“+”上标来表示且变为未知。利用该隐式方法，在一些实施方式中，为了确定在每个时间步长的温度，所有单元上的所有和的值，可以利用求解器来同时确定，例如，所述求解器是利用高斯-塞德尔迭代法的求解器。显式方法具有极其简单的优势；然而，只有在如果使用足够小的时间步长时，它才能收敛到有意义的结果。隐式方法具有无论时间步长大小，其都将收敛的优势，并且因此，由于可以使用较大的时间步长，总求解时间可以更少。

用于瞬时应用的CPFM的实施方式的各个步骤，被显示在图5中总体上用500表示的流程图中。在这个方法中，行为510、520和530类似于流程图400中的行为410、420和430。行为510包括：确定在其上执行瞬时分析的多个时间段的另外的行为。更多数目的较短的时间段，与更少数目的较长的时间段相比，可以提供更准确的结果。流程图500的行为560、570、580、590和600，分别类似于流程图400的行为440、450、460、470和480。流程图500包括判决行为540，在其中确定事件是否引起气流边界状况(BC)发生变化。如果引起了变化，在进行到为关联的时间段计算新的流体温度和固体温度之前，在行为550中计算改变的流体流动。行为540-600在每个时间段重复执行。在一些实施方式中，在对所有时间段的分析完成后，结果可以被输出(行为600)。

使用瞬时过程，各个气流模式、以及后续的各个温度可能必须根据瞬时事件的数目被重新计算几次。如果瞬时事件引发气流BC发生变化，例如风扇关闭，则气流模式可以被重新计算；然而，如果瞬时事件被限制为功率变化或温度变化，例如组件开始散发额外热量，则只需要重新计算温度。

例子

考虑如图6中所示的被加热固体模块上的2D稳定态气流。出于分配由该模块散发的30W目的，整个系统被假定为：在距离纸张方向上的深度为150毫米。例如，该配置可以表示电子器件-热应用，其首要目标是确定被加热固体模块的温度，其可以表示被散热组件覆盖的印刷电路板。在这个简单的例子中，模块可以被均匀加热，并且具有相当高的热传导性，使得处于平衡中的模块的所有部件将最大程度地获取单个统一的温度。除了预测模块温度，还可以期望的是：预测模块周围的气流模式和外壳内部每处空气的温度。

流体中的速度和温度的计算，遵循诸如‘605申请中所描述的PFM方法。为了结合固体-传导解决方案和流体-对流解决方案，可能希望精确预测在流体-固体边界的热量传递。

使用结合PFM(CPFM)方法，在流体-固体边界的热量传递可以根据经验来计算。通常不必将速度的各个状态(shape of the velocity)或接近于墙壁的温度分布图预测到非常详细的程度。相反，热量传递系数h(例如以W/(m²℃)为单位)，可以被用来将热量传递确定为各个流体速度和边界附近的温度的函数。

图7显示了根据对图6的例子的采用CFD计算方法和采用CPFM计算方法的气流和温度的比较。在这个例子中，用于CPFM的热量传递系数取自CFD模型。尽管其实质上保证了相似的模块温度估计，但是理论上，可以根据“脱机”执行的CFD的各个运行编译非常好的各个h的库。

结合PFM(CPMF)的优势

CPFM对于CFD的优势类似于PFM对于CFD的优势，这是因为问题的时间和效果被气流-解部分控制，而不是被传导-解部分控制。该优势涉及速度、可靠性和模型相对于CFD的简单性。方法的高可靠性(即其在大部分时间或所有时间中产生了合理的结果，而不像CFD经常不能收敛)意味着，如同计算网格和收敛参数的数值建模的不实际的各个方面，可以对使用者隐藏。结果，与全CFD相比，这类工具可以被经过更少培训和更少支持的较不专业的用户使用，并且可以做到更经济地获取。CPFM工具可以被用来在几秒内或几分钟内分析问题，而这些问题在CFD中解决花费几个小时或几天。

在CFD和CPFM中处理扰流的方法是明显不同的。在CFD中，其能以两种方式中的一种方式进行处理：在层流中，用户不得不负责确定足够的计算网格单元，以便正好在接触面的流体侧上的陡峭温度梯度被充分求解。这通常需要网格单元在垂直于固体表面方向上处于1毫米数量级或更小的数量级，并且预测是缓慢的且高度依赖于网格。当扰流被CFD软件用户选择时，“墙壁函数”可以被使用。墙壁函数是用于速度的各个状态和正位于交界处的流体侧上的温度分布图的经验表达式。由于利用了经验，模拟对网格的依赖非常少，且更大的单元可以被用来产生合理的结果。不幸的是，CFD在处理处于“瞬变”中的区域时，通常不能良好地工作，所述处于“瞬变”中的区域即处于全层流和全扰流之间的不定态(awkwardstate)的某处区域，并且结果的质量是非常CFD-代码化的且非常依赖于应用，并且该用户需要事先确定流是层流还是扰流。

因为CPFM利用规定的热量传递系数来建模流体-固体边界上的热量传递，所以用户从不需要确定流是否是层流或扰流；当基于局部流状况选择合适的热量传递系数时，这种判断在CPFM分析中被自动地做出。不过，CPFM绝不像CFD一样对网格尺寸敏感，因此CPFM中的网格尺寸问题很大程度上与用户无关。在一些实施方式中，不需要对用户的任何涉及，或甚至不需要用户的任何知识，算法就可以生成计算网格。

由于在简单性和求解速度上的极大提高，CPFM的各个工具可以快速分析多个设计配置，并且CPFM包括优化特征，然而该优化特征在基于CFD的工具中将是极为缓慢的。

在上文的实施方式中，提供了过程和系统，其可以确定电子系统在稳定态状况中的相关温度和气流。过程和系统还可以确定电子系统中的气流和温度中的变化，其可能在冷却系统事件后发生，其中冷却系统事件包括：由电子系统中的一个或多个组件产生的热量中的变化(增加或减少)、或由冷却系统的部分或整个冷却系统的操作中的启动或中断所产生的热量中的变化。系统和方法可以被用来提供电子系统和其它应用的优化设计。如同本领域任意一个普通技术人员所能容易理解的，至少在一些实施方式中，被确定的气流和/或温度值是对实际值的预测值，其中该实际值将发生在具有被建模的参数的系统中。在本发明的至少一个实施方式的各个方法中，在成功建模数据中心中的集群之后，模型的结果可以被用作系统的一部分以根据所设计的布局订购数据中心中的设备、运送数据中心中的设备、以及安装数据中心中的设备。

在在此所论述的发明的至少一些实施方式中，实时评价和计算的性能是指在几秒或更少时间的情况下完成的、而不是在几分钟或更长时间完成的带有复杂计算(诸如涉及典型的CFD计算的那些计算)的过程。

在上文所描述的至少一些实施方式中，电子系统的设计、和/或电子系统中的实际参数根据所预测的气流而改变。例如，设计和管理系统的用户可以改变组件的位置、和/或冷却装置的位置，其中所述组件和冷却装置被用在电子系统中的实际设备布局中或建议的设备布局中。当发现性能是在预定义规格内时，这些改变可以被实现，以提高冷却性能、和/或可以被实现来提供成本节省和/或功率节省。另外，根据所确定的气流值，如果气流不足以提供充分的冷却，根据一个实施方式的数据管理系统，可以控制数据中心的一个或多个CRAC来调整气流，以及除此之外，一个或多个设备机架可以被控制来降低功率。

在至少一些上文所描述的实施方式中，工具和过程被提供用来确定电子系统中的气流。在另外的实施方式中，各个工具和过程可以被用于其它类型的系统，例如用于包括移动数据中心的移动应用中。

已经如此描述了本发明的至少一个实施方式的多个特征，需要了解的是：各种改变、修改和改进可以由本领域的技术人员容易地想到。这些改变、修改和改进旨在是本公开内容的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，上述描述和附图仅仅是示例的方式。