液冷数据中心的热管理技术——泵驱两相系统

一、 泵驱两相系统仿真的挑战

在泵驱两相系统中，确保泵入口始终为纯液相是稳定运行的关键。为此，系统依赖储液罐利用重力实现气液分离与“液封”功能。因此，在系统仿真中必须精确建模重力对储液罐内气液分布的影响，并设计相应的热管理策略，动态适应IT负荷变化，以维持储液器内的安全液位，确保泵在任何工况下入口均为液相。在两相流的系统仿真中，储液罐充满或者完全放空是容易出现收敛问题，GT-SUITE的先进的两相求解器可以稳定、快速模拟这种特殊场景，并分析不同工况、边界下的储液罐的液位变化。

 

二、泵驱两相系统的建模

     本例中IT有8个机柜，每个机柜的功率密度为20kW-30kW之间。所用制冷剂为R1233RDE，充注密度为800kg/m3。一次侧为水路（一般为干冷器和冷水机组的组合，本例中简化为进出口边界），二次侧为泵驱两相回路。

本文的储液罐和管路系统需要考虑重力影响。用户可以使用FluidReservoir模板来定义储液罐不同高度的进出口，如下图所示，由于重力的影响，液相出口的压力会高于进口处的压力。

储液罐不同Port的压力

三、制冷剂流量的影响

   下图为标准化了的储液罐液位，1表示液相充满，0表示全部气相。可以看到随着氟泵流量的增加，储液罐的高度随之下降。

制冷剂流量对储液罐液位的影响

下图为三个流量下的压焓图，可以看出随着流量的增加，高低压压力都有增加，但高压压力增加更为显著，同时冷凝器后的干度不断下降。

不同制冷剂流量下的压焓图

四、冷凝器进水温度的影响

五、 IT负荷的影响 

随着单机柜功率密度的增加（18/21/24/27/30kW），储液罐的液位不断增加，高低压压力也显著增加。

 

六、泵进出口管路直径的影响 

当泵进出口管路直径减少时（从30mm减少至20mm），可以看到由于储液罐和泵之间的局部阻力损失，导致泵入口出现了两相区，严重威胁运行稳定性。

泵进出口管路直径的影响

七、总结 

本文针对泵驱两相液冷系统在AI高功率密度数据中心中的应用，开展了系统仿真与关键参数影响分析。研究得出以下主要结论：

• 储液罐液位是系统稳定运行的核心指标，受制冷剂流量、冷凝器进水温度和IT负荷共同影响，需动态调控以维持泵入口纯液相状态。
• 制冷剂流量增加、进水温度降低会降低液位，而IT负荷升高则推高液位，系统压力水平随之变化，影响能效与安全边界。
• 泵进出口管径过小会因局部阻力导致泵入口出现两相区，严重威胁运行稳定性，管路设计需谨慎匹配。