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摘要

海底数据中心是目前最具有前景的大数据运行中心，将海底数据中心建立在沿海城市的附近水域可以通过“极度深寒”为服务器等设备降温以节约能源消耗工作时快速的散热是目前优化设计的重中之重。本文首先根据服务器的大小，分别从集装箱长度、集装箱宽度、集装箱高度3个维度运用线性规划计算集装箱最大容纳服务器个数。另外，考虑对服务器散热的要求，根据能量守恒方程，利用自然散热模型，计算集装箱达到最高散热温度下的最大容纳服务器个数。最后，综合两种情况得出结果。而后运用熵权法计算每种属性下不同材料的权重，得到各个属性下相对性质较好的材料。再筛选出成本较为合适的两种材料作为集装箱的外壳材料。最后，对集装箱深度和海水温度两个变量之间通过进行多项式拟合，得到最适合的集装箱水下深度为 21.67m。

关键词：数据中心，散热，线性规划，多项式拟合

0 引言

在现代的发展中，数据中心也将会成为企业竞争的资产，商业模式也会因此发生改变。随着数据中心应用的广泛化，人工智能、网络安全等也相继出现，更多的用户都被带到了网络和手机的应用中[1]。随着计算机和数据量的增多，人们也可以通过不断学习积累提升自身的能力，是迈向信息化时代的重要标志。

将海底数据中心建立在沿海城市的附近水域可以通过“极度深寒”为服务器等设备降温以节约能源消耗，也极大地拉近数据与用户的距离。但是，如何在有限的体积内存放更多的服务器并且保证服务器工作过程中向海水中正常快速的散热是目前优化设计的重中之重。

1 单位集装箱最大容纳IU 服务器个数

不考虑散热对于集装箱存放服务器个数的影响，以及热量交换过程中箱壁与箱壁之间的热传导。将服务器分为不同的方式在集装箱内进行放置，假设L表示集装箱长度方向可装下的服务器最大数量[2]，M表示集装箱宽度方向可装下的服务器最大数量，H表示集装箱高度方向可装下的服务器最大数量。调整服务器在集装箱中不同的放置方式综合考虑每种情况下集装箱的服务器最大容纳个数。

设定目标函数为：max（L*M*H），本文对服务器的放置方式进行选择。分为以下六种情况：

（A）将服务器的宽度方向对齐集装箱的长度方向、服务器的高度方向对齐集装箱的宽度方向、服务器的长度方向对齐集装箱的高度方向进行放置，

（D）同理将服务器的长度方向对齐集装箱的长度方向、服务器的宽度方向对齐集装箱的宽度方向、服务器的高度方向对齐集装箱的高度方向进行放置。

（E）将服务器的宽度方向对齐集装箱的长度方向、服务器的长度方向对齐集装箱的宽度方向、服务器的高度方向对齐集装箱的高度方向进行放置。

（F） 将服务器的高度方向对齐集装箱的长度方向、服务器的宽度方向对齐集装箱的宽度方向、服务器的长度方向对齐集装箱的高度方向进行放置。

2 最大容纳服务器数量求解

由表1六种情况下集装箱容纳个数可知，在集装箱容积限制下[3]，最大可装882个服务器。

3 单位集装箱最高温度下容纳服务器个数

在热力学中，热对流过程中单位时间通过单位面积有质量m（kg/m.s）的流体由温度t0的地方流到t1， 过程中热传递的热量为：

Q0—集装箱内部服务器的发热功率，W; Q1—通过自然冷却方式的散热功率，W; S1—机柜侧壁的表面积，m2;αconv—空气的自然对流换热系数，W/（m2·℃） ; ΔT1—机柜侧壁的平均温升，℃ 。由热传导稳态方程可知，当集装箱内部的热场分布达到稳态时，单位时间内集装箱内部服务器的发热功率应该等于通过集装箱侧壁的散热量。

通过计算，本文得到当集装箱的整体散热温度达到80℃时，此时集装箱内最大可放置服务器个数为448个。综上，基于不考虑散热情况下集装箱最大容纳服务器个数的结果，最终得到在综合考虑集装箱容积和散热两个方面的因素后，集装箱内最大可放置服务器个数为448个。

4 集装箱外壳材料优化

4.1 数据初步筛选

将价格昂贵（Gold和Silver）、电位为正、含活泼元素、污染环境和使用寿命（聚合物、橡胶和弹性体类，混凝土和玻璃类，木材类，和纤维增强塑料（FRP）类）不长的材料剔除，同时由于铜和铜合金在海水中是活性金属，浸入海水后，其表面的氧化膜迅速遭到破坏，经过一定时间暴露，原始表面膜逐步转化成腐蚀产物膜，因此也剔除，余下不锈钢类、铝合金类、镍合金类以及铁和钢类。

通过对各类材料的权重整理，发现404 Stainless Steel 的权重最大，因此本文将404Stainless Steel 从不锈钢类的材料中筛选出来[5]。同理得出筛选表。

4.2 海底数据中心材料选择

海水温度随着深度的升高而降低，较低的温度，能取得更好的散热效果。为此，找到海水温度随水深的变化关系，并利用此函数关系找到温度变化最快的深度位置，即散热效果最佳的水深位置。通过查找文献得到一组海水深度 H 与温度 T 的具体数据，可对该组数据进行多项式的拟合，找出海水深度与温度之间的规律。

结果为：H=41.6677205时，对应的122.709127151164 最大，所以 H=21.5 即为所求点。因此温度随深度变化最快的位置为：H=21.5m，即散热效果最佳。其次，根据压强公式得到此深度下的压强约等于 2.1597×105Pa，通过对比附件所给以上两种材料的抗压强度，发现这两种材料均满足此时的压力条件。

所以选择410 Stainless Steel 和 Aluminum alloy 7075 两种材料。

4 结论

针对海底数据中心的散热问题，本文分别从集装箱长度、集装箱宽度、集装箱高度3个维度运用线性规划计算集装箱最大容纳服务器个数，并得出计算集装箱达到最高散热温度下的最大容纳服务器个数。而后基于熵权法计算每种属性下不同材料的权重，得到各个属性下相对性质较好的材料，最后对集装箱深度和海水温度两个变量之间通过进行多项式拟合，得到最适合的集装箱水下深度为 21.67m。本文探究得知外界气候可能会影响海水的最高温度，海域海拔可能会影响海水的最高温度，对文章的后续研究应当添加随机误差项。

参考文献

[1] 李加平，齐尔麦，张华勇.海底接驳盒装置的散热结构设计及其热分析[J].海洋技术学报，2016，35（01）：51-56.

[2] 何为，丁愫，诸凯，柴祥，王雅博，李雪强，郭瑞.数据中心服务器水冷散热器的数值模拟及实验验证[J].热科学与技术，2021，20（02）：134-140.

[3] 邱恬.服务器机柜散热技术比较研究[J].信息与电脑（理论版），2020，32（16）：34-36.

[4] 李瑞. 基于CFD仿真的数据中心气流组织优化[D].山东大学，2020.

[5] 杨圳.数据中心服务器U型流道水冷散热器的性能研究[J].低温与超导，2019，47（10）：91-96.

作者简介：程俞小倩，2001年8月，女，汉族，浙江省杭州市，本科在读，工商管理