浸没之外再加水柱冲击：一台服务器的散热对照实验

编译自 MDPI Buildings 2024, 14(9), 2635　·　开放获取 CC BY 4.0

单相浸没液冷把整台服务器泡在不导电的液体里，省掉了风扇和风道，传热系数却卡在一个物理上限上：热量要靠自然对流和液体自身的导热离开发热面，液体流动的速度由浮升力决定，设计者能调的空间不大。给液冷柜加一套喷淋管，让低温液体以射流的形式冲到发热面上，等于在浸没之外再叠一层强制对流。

南京工业大学与阿尔托大学的 Linhui Yuan、Yu Wang、Risto Kosonen 等人在 Buildings 上做了这套对照实验：搭一台单服务器液冷测试台，先测纯浸没，再测浸没加射流，逐个改变进水温度、喷射距离与进水流量。结论落在一个数字上，浸没喷射的稳态表面传热系数约为纯浸没的 2.6 倍。

一台服务器大小的测试台

热源用一块 0.3 米乘 0.6 米乘 0.02 米的加热负载代替服务器，额定功率 3500 瓦，内部是 M 形布置的耐高温管状电加热元件。液冷柜尺寸 0.4 米乘 0.35 米乘 0.8 米，柜壁用透明亚克力，方便观察流态。冷却液是去离子水，走单相浸没，环境温度 28 正负 2 摄氏度、湿度 40 正负 5%。自吸泵电功率 0.37 千瓦，流量能力每小时 3 立方米。实验从负载加热到 60 摄氏度开始，然后启动水循环。

喷射管路是这套装置的核心。水平主管直径 20 毫米、长 300 毫米，垂直主管直径 16 毫米，喷射管直径 20 毫米、长 300 毫米，三根立管直径 12 毫米、高 600 毫米、等间距布置，立管上的射流孔直径 1.8 毫米、孔间距 20 毫米。喷射管贴着液冷柜内壁底部布置，液体从立管上的孔高速喷出覆盖服务器表面。孔口尺寸 1.8 毫米这个量级决定了射流出口速度，也决定了冲击区的驻点传热强度。

纯浸没给出的基线

纯浸没这一组只改进水温度，从 18 到 27 摄氏度取三个点，流量固定 13 升每分钟。表面稳定温度分别是约 41.0、43.8 和 47.4 摄氏度，稳态表面传热系数对应 845.4、891.9 和 953.2 瓦每平方米开尔文。进水温度从 27 降到 18 摄氏度，表面温度降 6.4 摄氏度，传热系数提高 107.7。

柜内温度分层也在这一组里显出来。三种进水温度下，柜内上中下三点温度差分别是 9.3、6.5 和 5.5 摄氏度，进出水温差从 5.3 到 9 摄氏度。分层是浸没冷却的固有现象，热液体往上走、冷液体往下沉，靠的是自然对流形成的环流，流量与温差一起决定这个环流能带走多少热。

图1　浸没喷射测试台与喷射管路的结构布置（依据原文第 2 节绘制）

加上水柱冲击之后

换成浸没喷射，进水温度固定 22 摄氏度、流量 13 升每分钟，把喷射距离从 10 厘米逐步收到 1 厘米。表面稳定温度依次约为 33.0、32.0、30.3 和 30.7 摄氏度，稳态传热系数在 3 厘米处达到最大的 2342.7 瓦每平方米开尔文，1 厘米处为 2235.0。从 10 厘米收到 1 厘米，表面温度降 2.7 摄氏度，传热系数提高 467.3；从 1 厘米到 3 厘米再提升 107.7。距离并非越近越好，3 厘米是这组条件下的最优点。

流量这一组更陡。喷射距离固定 3 厘米，流量从 8 升每分钟提到 18 升每分钟，表面温度从约 35.0 降到 28.0 摄氏度，传热系数从 1495.7 涨到 3136.2，约 2.1 倍。文章把两处增益分开算：调整喷射距离带来约 475.9 瓦每平方米开尔文，调整流量带来 1745.0，后者是前者的三倍多。对工程来说这个结论很直接，调流量比调结构更划算。

对照组是纯浸没在 22 摄氏度进水下的 891.9，浸没喷射在这组条件下的最高值 2342.7，比值约 2.6。表面温度从 43.8 降到 30.3 摄氏度，降了 13.5。柜内分层也缩小了：纯浸没的内部温差 6.5 摄氏度，浸没喷射在各工况下是 3.1 到 4.1 摄氏度，射流把液体搅动起来，上下温差被压掉近一半。

图2　纯浸没与浸没喷射的传热系数、表面温度及喷射距离与流量的影响（依据原文表 3 至表 5 绘制）

整理成一个无量纲式

作者用量纲分析把三组变量收进一个关联式，以努塞尔数为被解释量，自变量是无量纲温度、无量纲喷射距离和无量纲流速，拟合结果是努塞尔数等于 1.4657 乘无量纲温度的 2.536 次方、乘无量纲喷射距离的负 0.14299 次方、乘无量纲流速的 0.73814 次方。指数的大小就是敏感度排序：进水温度是主导因素，流速次之，喷射距离的影响最小且为负，与前面的实验观察一致。超过 90% 的拟合点落在实验点正负 18% 的范围内。

误差账也给了。K 型热电偶的不确定度正负 0.8 开尔文，进出口温度计正负 0.5 开尔文，热电偶安装位置正负 0.1 毫米，加热面损伤正负 0.05 毫米。传导之后，热流密度误差 3.7%，表面温度误差 2.4%，表面传热系数误差 6.1%。对于传热系数这种由温度差反推的量，6% 属于可以接受的范围，但基础温差本身只有十几摄氏度，误差放大的空间不大。

还差什么

这台测试台模拟的是一台服务器，不是整机柜。真实机柜里几十台服务器紧挨着，射流的行程、回水的通道与柜内的液位都会改变流场，单机最优的 3 厘米距离在多机柜布局里未必最优。热源用 3500 瓦的加热板代替芯片，热流密度与芯片表面的热点分布差得很远，射流最擅长的正是一小块高热流密度区域的冲击冷却，这一点在实验里体现不出来。泵的功耗也没有计入，流量从 8 提到 18 升每分钟，泵耗会跟着涨，传热收益与泵耗的净账文章没有算。

文章列出的三项专利说明这套思路已经进入工程化阶段。浸没喷射真正的价值可能不在单台服务器上，而在难以用冷板覆盖的高功率部件旁边：射流可以直接对准某个位置，冷板做不到这种局部性。它能不能撑起整机柜的散热，要看流场设计与泵耗优化的结果。