新型H型水蓄冷布水器的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬研究

王子燁， 黃鳳苗， 郭盛禎

（華電華源工程有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

水蓄冷技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用廣泛，相對(duì)于常規(guī)空調(diào)，水蓄冷空調(diào)具有一些優(yōu)點(diǎn)[1，2]。自然分層型水蓄冷技術(shù)是一種重要的蓄冷技術(shù)，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。液態(tài)水局部溫度出現(xiàn)差異時(shí)，由于自然對(duì)流形成不同溫度部分的分層。而自然分層型水蓄冷技術(shù)中的核心技術(shù)是布水器的設(shè)計(jì)[3，4]。M.W.Wildin[5～7]等人進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)布水器入口弗雷德數(shù)不大于2時(shí)，蓄冷水箱可以達(dá)到較好的運(yùn)行效果，當(dāng)入口雷諾數(shù)減小時(shí)，在斜溫層形成過程中，布水器入口附近的混合將減少。他指出影響蓄冷效果的兩種非常重要的混合作用（一種是充冷或放冷初期的混合，它直接決定了斜溫層的的初始厚度，一種是斜溫層形成后入流處形成的漩渦和循環(huán)流形成的混合；斜溫層形成后的布水器入口測(cè)混合取決于弗雷德數(shù)和雷諾數(shù)，其中雷諾數(shù)更為重要）。而雷諾數(shù)在工質(zhì)確定的情況下由水的流速和布水器幾何結(jié)構(gòu)決定。

理想的自然分層型水蓄冷是冷、熱水在罐體截面均勻流入，使得整個(gè)流動(dòng)呈現(xiàn)層流狀態(tài)。在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)行過程中難以達(dá)到理想的布水方式。因此，目前主要面臨的問題是如何抑制冷、熱水的混合，使出流更加均勻，從而減小斜溫層的厚度，提高放冷能力，降低蓄冷水箱的投資費(fèi)用

對(duì)于分層型水蓄冷箱而言，熱損失主要有三個(gè)途徑：1）與外界環(huán)境溫差造成的通過水蓄冷箱壁面的熱損失；2）斜溫層與冷、熱水界面處的熱傳導(dǎo)；3）進(jìn)水端布水器開口處的混合損失，這是提高系統(tǒng)蓄冷效率的關(guān)鍵所在[4]。

本文針對(duì)自然分層型水蓄冷技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的H型布水器，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該布水器的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行研究。

1 新型H型布水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何模型構(gòu)建

自然分層型蓄冷箱在頂部、底部均布有布水器來引入和導(dǎo)出流體，使流體之間僅有少量混合。良好地布水器設(shè)計(jì)能夠減少蓄冷成本，充分利用蓄冷量，運(yùn)行比較簡(jiǎn)單。在運(yùn)行時(shí)，布水器將水引入到蓄水箱中，依靠密度差形成一個(gè)蓄冷箱軸線方向的分布的重力流，使冷熱水混合盡量減小。因此，在自然分層型蓄水箱中，布水器的設(shè)計(jì)尤為重要。

圖1為設(shè)計(jì)的新型H型等壓流體均布器。均流器之間夾角為120°，方向朝蓄冷箱端面部，背向蓄冷箱主流區(qū)。

2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬作為一種新的研究手段具有成本低、開發(fā)周期短、能夠得到實(shí)驗(yàn)所難以得到的詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)果。因此，在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的普及，數(shù)值模擬也越來越得到人們的重視，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與科學(xué)研究中得到廣泛地應(yīng)用[8～10]。

采用通用商業(yè)CFD軟件FLUENT對(duì)新型H型布水器的沖冷過程進(jìn)行模擬計(jì)算。FLUENT基于有限容積法對(duì)對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分求解?；緮?shù)學(xué)模型如下：

式中 ρ—密度，kg/m3；

ui—i方向速度分量，m/s；

Sm—?jiǎng)恿吭错?xiàng)，kg/（m3·s）。

動(dòng)量守恒方程：

式中 ρ—壓強(qiáng)，Pa；

τij—流體的剪應(yīng)力，Pa；

gi—重力沿i方向分量，m/s2；

Fi—其它體積力，Pa/s。

能量守恒方程：

式中 E—標(biāo)準(zhǔn)焓，J/kg；

keff—有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Jj′—擴(kuò)散項(xiàng)；

Sh—能量源項(xiàng)。

浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)和自然對(duì)流。

當(dāng)加熱流體，而且流體密度隨溫度變化時(shí)，流體會(huì)由于重力原因而導(dǎo)致密度的變化，這種流動(dòng)現(xiàn)象被稱為自然對(duì)流（或者混合對(duì)流），F(xiàn)luent可以模擬這種流動(dòng)。用Gr和Re的比值來度量浮力在混合對(duì)流中的作用：

式中 Gr—Grashof數(shù)；

Re—雷諾數(shù)；

v—流體的動(dòng)力粘度。

當(dāng)這個(gè)數(shù)接近或者超過1時(shí)，應(yīng)該考慮浮力對(duì)于流動(dòng)的作用。反之，就可以忽略浮力的影響。在純粹的自然對(duì)流中，浮力誘導(dǎo)流動(dòng)由瑞利數(shù)（Rayleigh）度量：

其中熱膨脹系數(shù)：

式中 β—熱膨脹系數(shù)；

μ —?jiǎng)恿φ扯?，Pa·s；

α—擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

k—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

熱擴(kuò)散系數(shù)：

cp熱容，J/（kg·K）。

Rayleigh數(shù)小于10^8表明浮力誘導(dǎo)為層流流動(dòng)，當(dāng)瑞利數(shù)在10^8～10^10就開始過渡到湍流。

3 網(wǎng)格劃分及模型參數(shù)

蓄水箱高9m，長(zhǎng)1.025m，寬0.76m。上、下布水器距離蓄水箱端部0.25m。引入管水流速度0.97m/s。均流器直徑12mm。

實(shí)際水蓄冷過程中，布水器為一組或多組結(jié)構(gòu)單元體。為了減少計(jì)算成本，本文采用布水器單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，旨在說明該布水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)之處。

布水器單元體及蓄冷罐體總網(wǎng)格數(shù)為126 460，布水器附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合技術(shù)，通過網(wǎng)格依賴性檢查，網(wǎng)格大小滿足計(jì)算要求。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，采用SIMPLEC算法對(duì)壓力速度進(jìn)行耦合。采用1階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散化。

表1 水的溫度-密度點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)果討論

4.1 充冷過程中蓄水箱溫度變化規(guī)律

圖3為蓄冷罐沖冷過程的計(jì)算結(jié)果云圖。時(shí)間節(jié)點(diǎn)從10min到9h。從圖中看出，充冷過程冷熱水之間的斜溫層以一定的速度平穩(wěn)移動(dòng)，斜溫層厚度很小，且?guī)缀鯙樗矫嫘螤睢Ｔ摬妓髟O(shè)計(jì)能夠較好地消除入口對(duì)罐體內(nèi)主流的擾動(dòng)，使得斜溫層能夠有效地隔離冷熱水，提高蓄冷效率。

圖4為不同充冷時(shí)刻，蓄冷箱體內(nèi)中心溫度沿高度方向的分布曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，冷熱水之間存在一個(gè)明顯的溫度躍遷區(qū)間，即斜溫層。斜溫層的厚度直接反映了蓄冷箱的效率。斜溫層越薄且越均勻，則蓄冷效率越高。從圖4可看出，溫度分布曲線的兩個(gè)拐點(diǎn)之間可以認(rèn)為是斜溫層區(qū)域，厚度為δ。圖4d）是充冷4h，δ厚度約為0.7m；圖4e）是沖冷時(shí)間為6h，δ約為1m，相對(duì)熱流體區(qū)域，冷流體區(qū)域溫度曲線變化更加平緩，即溫度分布范圍更寬。靠近冷流體區(qū)域的拐點(diǎn)溫度隨著充冷時(shí)間的增加而減小，這是因?yàn)槔渌畢^(qū)域變大，熱水區(qū)域?qū)淞鲄^(qū)的加熱效應(yīng)減小造成的。

4.2 下布水器流場(chǎng)矢量分析

圖5為下部布水器的速度矢量圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，引入管內(nèi)流體流速較高，分配管和分布管內(nèi)流體流速較低，而分流器出口流速較高，上部主流區(qū)流速則較低，且非常平穩(wěn)。由于分流器出口采用120°背向設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于即使分流器數(shù)量較少、流速較高，但是其形成的渦流主要存在于布水器與下部罐體壁面之間的狹小空間內(nèi)，其流動(dòng)對(duì)于上部的主流區(qū)域造成的擾動(dòng)較小，保證了主流區(qū)穩(wěn)定的層流狀態(tài)，在上部空間形成平穩(wěn)的斜溫層。

斜溫層形成后，斜溫層下部的熱混合對(duì)蓄冷效果具有重要的影響。這種混合是由布水器出口來流的慣性引起，產(chǎn)生渦流，造成來流與斜溫層流體的環(huán)流。如果漩渦和環(huán)流強(qiáng)度較大，大量的流體就會(huì)離開斜溫層，與斜溫層下部的流體相混合，使得蓄冷能力下降[4]。

圖6是下部布水器流線云圖?？梢郧宄乜闯?，分流器出口的流線在布水器與蓄冷罐體狹小空間內(nèi)形成渦流，流體在此處耗散，分流器出口高速流體受到限制，整體上以較低流速、速度分布較均勻的形式流入上部主流空間。該新型布水器設(shè)計(jì)消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)斜溫層造成擾動(dòng)破壞的渦流的影響，主流區(qū)流場(chǎng)形式接近均流板效果。

5 結(jié)語

自然分層型水蓄冷系統(tǒng)主要存在的三大能量損失中，布水器出口對(duì)蓄冷箱內(nèi)主流流場(chǎng)的擾動(dòng)混合引起冷、熱水混合帶來的蓄冷效率降低是主要的。新型H型布水器的設(shè)計(jì)使得布水器出口背向蓄冷箱的主流區(qū)，避免了出口射流對(duì)主流區(qū)的直接沖擊和擾動(dòng)，降低了冷、熱水的混合。數(shù)值模擬結(jié)果表明，充冷過程中斜溫層維持在較平穩(wěn)的狀態(tài)，沖冷6小時(shí)斜溫層厚度最大約1m，布水器出口擾流對(duì)上部主流區(qū)的混合作用小，有利于提高蓄冷效率。

：

[1]王冬利，等.電力需求側(cè)管理實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005，396～397.

[2]白娟.自然分層型水蓄冷條縫形布水器的優(yōu)化研究[D].天津大學(xué)，2009.

[3]張素芬，唐超權(quán)，陳振乾.自然分層型水蓄冷槽布水器孔數(shù)對(duì)速度場(chǎng)影響的模擬研究[C].2011年江蘇省暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)，2011.

[4]胡國(guó)霞.溫度分層型水蓄冷槽布水口的特性研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2008.

[5]M.W.Wildin and C.R.Truman，A Summary of Experience with Stratified Chilled Water Tanks[J].ASHRAE Transactions，1985，CH-85-20No.2，956～976.

[6]CRTruman，MWWiidin and JYoo.Scale Modelingof Stratified Water Thermal Storage Tanks[C].International Symposium on Modeling Environmental Flows，The Joint ASCE/ASME Mechanics Conference，Albuquerque，NM，June，1985.

[7]Wildin，Diffuser Design for Naturally Stratified Thermal storage[J].ASH-RAE Transactions，1990，AT90-13.4，1094-1 102.

[8]FLUENT6.3 User’SGuide，F(xiàn)luent Inc，2006.

[9]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[10]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.