基于CFD的冷熱水混合器設(shè)計(jì)

莫鵬飛　王旭

【摘 要】分析了決定冷熱混合器性能的關(guān)鍵。構(gòu)建了兩種不同的混合器模型，并以RNC（renormalization group）k-ε為計(jì)算湍流模型，采取六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分整個(gè)流場。最終，計(jì)算出了兩種方案的溫度、壓強(qiáng)分布。為后續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)中的材料選擇、工藝安排提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】冷熱混合器；模型；網(wǎng)格劃分

冷熱混合器，本質(zhì)上是屬于溫水供應(yīng)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備。其運(yùn)行的規(guī)律是，由一端通入冷水，另一端通入熱水，二者在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行熱交換以后，便流出溫水供人使用。該設(shè)備內(nèi)部是處于流場的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)關(guān)鍵，在于其中的流態(tài)必須滿足要求，即需要保證內(nèi)部具有良好的流態(tài)。因此，流場的溫度、壓強(qiáng)、速度等狀態(tài)必須合理。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，流場的狀態(tài)通常很復(fù)雜，且不呈現(xiàn)規(guī)律的趨勢。故如何能保證其狀態(tài)的良好性，是一個(gè)必須面對的問題。鑒此，通過構(gòu)建了以平面法向流入和以平面切向流入兩種不同三維混合器內(nèi)部流場模型，對其進(jìn)行流態(tài)仿真，得出了其中的溫度、壓力分布規(guī)律。以此為依據(jù)，選定了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為產(chǎn)品后續(xù)的加工、生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1 混合器模型的構(gòu)建

混合器的基本結(jié)構(gòu)是：左右兩側(cè)進(jìn)水管，混合容器，下部漸縮通道以及最終的等徑流出管組成。由于兩中混合器均由規(guī)則簡易圖形組合而成，故大部分三維建模軟件都能很方便建模。但為了方便后續(xù)網(wǎng)格劃分和便于使用FLUENT數(shù)值模擬[1]，采用Gambit建模[2]。

2 混合器的數(shù)值模擬計(jì)算

因?yàn)槟Ｐ蛯λπ阅芤筝^高。因此，在對模型的數(shù)值計(jì)算仿真中，精度的控制非常重要，所以對于計(jì)算中湍流模型的選擇，擬選用目前在實(shí)際工程應(yīng)用廣泛，且計(jì)算精度很高的RNC（renormalization group）k-ε修正模型[3]，表達(dá)式為：

■+■=■（μ+■）■+G■-pε （1）

2.1 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的實(shí)質(zhì)，是針對已經(jīng)構(gòu)建好的模型，對其需要進(jìn)行計(jì)算的區(qū)域展開離散的過程[4]。通常情況下，在流體機(jī)械的三維流場模型網(wǎng)格類型的定義中，均采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩種方案的混合器模型及網(wǎng)格劃分情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 模型1網(wǎng)格劃分 圖2 模型2網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件的設(shè)定

邊界條件的確定，是針對流場計(jì)算過程中的速度壓力分布類型而言的，模型中那些代表模型邊界的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)體的物理特性和操作特性以及為邊界命名，方便后續(xù)CFD軟件對流體邊界條件的補(bǔ)充設(shè)定。在該計(jì)算過程中，邊界條件設(shè)定很簡單，無論是模型1還是模型2，左右兩管段的斷面，均設(shè)定為速度進(jìn)口，下方的管段斷面，設(shè)定為自由出流，其余皆為壁面邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果分析

混合器計(jì)算結(jié)果的后處理，本質(zhì)是用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[5]并最終以圖象顯示。包括速度、溫度、壓強(qiáng)、流向等等。由于此處僅僅討論壓強(qiáng)與溫度影響，所以此處僅討論兩中混合器溫度與壓強(qiáng)的對比關(guān)系。

3.1 計(jì)算結(jié)果的后處理

為了便于觀察，取恒定X-Z平面為觀察對象，即在X-Z平面上：模型1混合器的溫度分布（圖3）和模型2混合器的溫度分布（圖4）。

圖3 模型1溫度分布 圖4 模型2溫度分布

壓力分布決定材料的選取和制造工藝，為了方便對比觀察取和溫度相同的觀察平面。分別得出模型1和模型2的壓力分布圖，如圖5和圖6所示。

圖5 模型1壓力分布 圖6 模型2壓力分布

3.2 兩種方案的計(jì)算結(jié)果分析

（1）由圖3、圖4所示，水流從進(jìn)水管至出水管，無論模型1還是模型2，其溫度變化趨勢均是向著熱量平衡的方向變化，即冷水方向逐漸升溫，熱水方向逐漸降溫，最終達(dá)到熱平衡。區(qū)別在于混合器的壁面上，模型1的壁面溫差較小，模型2的壁面溫差較大。

（2）由圖5、圖6所示，兩混合器在壓強(qiáng)分布上差別較大。在水流進(jìn)水管中，平面法向流入混合器壓強(qiáng)始終較大而且遞減不明顯且與進(jìn)水溫度有關(guān)；但在平面切向流入混合器中進(jìn)水壓強(qiáng)成對稱遞減且與溫度影響較低。在混合器容器中，平面法向流入混合器壓強(qiáng)始終較高，并且在下部漸縮通道低處有升壓現(xiàn)象；但在平面切向流入混合器壓強(qiáng)中卻相對較低，在下部漸縮通道中下降到負(fù)壓。在等徑流出管中，平面法向流入混合器呈現(xiàn)出壓強(qiáng)遞減趨勢，并最終減為負(fù)壓；但在平面切向流入混合器中壓強(qiáng)始終保持不變與下部漸縮通道一樣始終為負(fù)壓。

綜上所訴，對溫度要求控制較高的可以選擇平面法向流入混合器，但在壓強(qiáng)和材料成本要求較高的可以選擇平面切向流入混合器，因?yàn)槠鋬?nèi)部和焊接處壓強(qiáng)變化較小，從而可以減小容器的制作要求降低成本。

4 結(jié)論

為了討論液體流向?qū)旌嫌绊?，建立了平面法向流入混合器和平面切向流入混合器三維模型，并對其進(jìn)流場CFD分（下轉(zhuǎn)第174頁）（上接第159頁）析。模擬得出其流場溫度，壓強(qiáng)分布，得到不同的混合要求可以選擇不同的混合模型。為模型設(shè)計(jì)選擇提供了理論依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ANSYS Inc.FLUENT 612 UDF manual[M].South2pointe，USA：F：luentInc.，2005.

[2]王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]王旭，張禮達(dá).中小型混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場分析與研究[D].成都：西華大學(xué)2009.

[4]韓占忠.王敬.蘭小平.FLUENT—流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[5]王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[責(zé)任編輯：王春燕]