溫度分層型水蓄冷槽斜溫層的動(dòng)態(tài)特性模擬

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(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.深圳市中鼎空調(diào)凈化有限公司，廣東 深圳 518033)

溫度分層型水蓄冷槽斜溫層的動(dòng)態(tài)特性模擬

穆迪1，高乃平1，朱彤1，王春生2，姚博2

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.深圳市中鼎空調(diào)凈化有限公司，廣東 深圳 518033)

針對(duì)溫度分層型水蓄冷槽提出了一種新型布水器開孔方式，研究了流量為1.0 m3/h時(shí)開孔角度分別為60°、90°、120°三種情況。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法分析了布水器的開孔角度對(duì)溫度分層的影響，模擬在充冷過程中垂直高度方向的溫度分布和蓄冷槽底部的速度分布情況，并進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，在開孔角度為90°時(shí)，布水器出流最為均勻，斜溫層厚度最小，布水器性能最好。

溫度分層型水蓄冷；斜溫層；布水器；開孔角度；數(shù)值模擬

溫度分層型水蓄冷槽是一種利用水在不同溫度時(shí)密度不同的特性自然進(jìn)行分層的蓄冷裝置，在水溫大于277 K的情況下，溫度低的水密度大，位于蓄冷槽的下部，而溫度高的水密度小，位于蓄冷槽的上部，在充冷或釋冷過程中水流緩慢地自下而上或自上而下地流動(dòng)，整個(gè)過程在蓄冷池內(nèi)形成穩(wěn)定的溫度分布[1]。

設(shè)計(jì)良好的溫度分層型水蓄冷槽在上部溫水區(qū)與下部冷水區(qū)之間形成并保持一個(gè)斜溫層，確保穩(wěn)定而厚度適宜的斜溫層是提高蓄冷效率的關(guān)鍵。在溫度分層型水蓄冷儲(chǔ)槽中，為了使水以重力流或活塞流平穩(wěn)地導(dǎo)入槽內(nèi)(或由槽內(nèi)引出)，關(guān)鍵要在儲(chǔ)槽的冷溫水進(jìn)出口處設(shè)置適當(dāng)?shù)牟妓?，以確保水流在儲(chǔ)槽內(nèi)均勻分配[2]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于溫度分層型水蓄冷槽布水器的結(jié)構(gòu)研究較多，同濟(jì)大學(xué)于航[2]、胡國(guó)霞[3]及鄧育涌[4]針對(duì)不同形狀的布水器進(jìn)行了模擬，研究了不同布水器進(jìn)口處速度場(chǎng)的分布及混合特性；東南大學(xué)張素芬[5]針對(duì)八角型布水器支管上不同孔徑和不同開孔數(shù)量建立模型，比較了不同類型布水器的出流速度特性。這些成果均基于圓柱形蓄冷槽和八角形或圓盤形布水器之上，而對(duì)長(zhǎng)方體蓄冷槽和H型布水器的研究則較少，但在目前工程實(shí)踐中長(zhǎng)方體蓄冷槽的水蓄冷系統(tǒng)使用較普遍。天津大學(xué)白鵑[6]對(duì)長(zhǎng)方體蓄水池、圓管開120°條縫形布水器(H型布水器)進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了不同流量、不同供回水溫度對(duì)蓄冷效果的影響，并針對(duì)分層效果較差的實(shí)驗(yàn)工況采用均流孔板的方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使用均流孔板的目的在于使出水流能在蓄水槽中均勻分配，盡量避免混水現(xiàn)象的產(chǎn)生，使溫度分層效果更加明顯。

本文提出了一種H型布水器的開孔方式，使相鄰距離最小的三個(gè)孔成等邊三角形，與傳統(tǒng)的條縫形布水器相比，新型開孔方式中孔與孔之間的距離更加平均，更容易達(dá)到出流均勻分配的目的，從而不借助于均流孔板也能形成穩(wěn)定且厚度適宜的斜溫層。為了找出較為合適的開孔角度，對(duì)流量一定、管徑一定的H型布水器，在其支管上設(shè)置三種不同的開孔角度，利用CFD技術(shù)[7]研究孔徑一定的情況下，充冷過程中垂直高度方向溫度分布以及蓄冷槽底部速度分布情況。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為設(shè)置在長(zhǎng)方體蓄冷水池內(nèi)上下部位的H型布水器，排列方式如圖1所示。H型布水器由干管管網(wǎng)和布水器管網(wǎng)組成，其中干管管網(wǎng)由在一個(gè)平面的多級(jí)H型直管組成，且各級(jí)配管管徑依次減小，布水器管網(wǎng)由多排平行的直管組成，各布水管在一個(gè)平面上。干管管網(wǎng)的末端與布水管連接，布水器管網(wǎng)上均勻開設(shè)布水孔。設(shè)置在上部的布水器管網(wǎng)的布水孔開口向上，設(shè)置在下部的布水器管網(wǎng)布水孔開口向下。

本文擬應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)H型布水器的開孔方式進(jìn)行研究，由于研究對(duì)象中布水管較多，研究過程中需要對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，選取蓄冷水池的一部分進(jìn)行模擬研究，忽略干管管網(wǎng)的影響，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖2所示。

圖1 H型布水管排列方式

2 物理模型

2.1 簡(jiǎn)化后的物理模型

本文提出了一種新型布水器開孔方式，相鄰距離最小的三個(gè)孔成等邊三角形，以開孔角度α=90°為例，布水管布置與開孔方式如圖2所示，圖2(a)為簡(jiǎn)化后的水蓄冷槽及布水管排列方式，圖2(b)為單根布水管示意圖，圖2(c)為布水管任一徑向截面，圖2(d)為布水管軸向截面。當(dāng)開孔角度α分別為60°、120°時(shí)，開孔方式與其相同。基本參數(shù)如表1所示。

表1 水蓄冷槽及布水器基本參數(shù)

2.2 模型的合理性驗(yàn)證

溫度分層型水蓄冷系統(tǒng)的布水器不僅要形成一個(gè)冷、熱混合程度混合最小的斜溫層，還要保證斜溫層不被水流的擾動(dòng)所破壞。斜溫層下部流體的混合程度取決于布水器進(jìn)口Fr數(shù)和Re數(shù)，且后者影響更大。判斷流體狀態(tài)的Fr數(shù)計(jì)算公式如下

式中 Fr——布水器進(jìn)口的弗蘭德準(zhǔn)數(shù)；

q——布水器單位長(zhǎng)度的體積流量/m3·(m·s)-1；

g——重力加速度/m·s-2,g=9.81 m/s2；

hi——布水器進(jìn)口距蓄水槽底面高度/m；

ρi——布水器進(jìn)口水的密度/kg·m-3；

ρa(bǔ)——周圍水的密度/kg·m-3。

q=Q/L

式中Q——通過布水器的最大流量/m3·s-1；

布水器進(jìn)口Re數(shù)的計(jì)算公式如下

式中Re——布水器進(jìn)口的雷諾準(zhǔn)數(shù)；

ν——布水器進(jìn)水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，近似按283 K計(jì)算，1.306×10-6m2/s。

此外，Ri數(shù)也是影響分層效果的一個(gè)重要參數(shù)[8]，它是一個(gè)跟Fr數(shù)相當(dāng)?shù)臒o(wú)量綱參數(shù)，它跟Fr數(shù)的關(guān)系是

式中 Ri——布水器進(jìn)口的理查德森數(shù)。

圖2 布水管布置方式與開孔方式

表2 相關(guān)無(wú)量綱參數(shù)的計(jì)算數(shù)值

表2列出了相關(guān)無(wú)量綱參數(shù)的計(jì)算值，在該模型中，F(xiàn)r≤1.0，池內(nèi)將保持重力流狀態(tài)，會(huì)維持穩(wěn)定的水溫分層。Re數(shù)小于200，符合小型水池對(duì)布水器出口Re值的限制[9]。

3 數(shù)值模擬

3.1 工況設(shè)置及網(wǎng)格劃分

模擬了3種不同開口角度的布水器在同一種流量下的充冷情況，蓄冷溫差取281 K，進(jìn)水溫度277 K，出水溫度285 K。由于單根支管管長(zhǎng)的限制，要形成相鄰距離最小的三個(gè)孔成等邊三角形的效果，在不同的開孔角度下，單根管上的開孔個(gè)數(shù)也會(huì)隨之變化，表3給出了三種工況的設(shè)置情況。

我之所以罵得這么狠，這么低俗，因?yàn)樽蛱焱砩?，他在我娘的房間里，發(fā)出一種類似種豬配種的聲音，此刻，那種聲音在我耳旁響起，它提醒了我，我脫口而出。他沒能把我的學(xué)費(fèi)準(zhǔn)備好，惹我生氣，我自然揀最難聽的，最刺痛他的話罵。

表3 工況設(shè)置

數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到數(shù)值解的可信度。網(wǎng)格數(shù)過少，會(huì)使得計(jì)算的準(zhǔn)確性下降；網(wǎng)格數(shù)過多，則會(huì)增加計(jì)算成本。本研究使用多面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)布水管周圍進(jìn)行了局部加密，以保證較高的計(jì)算精度。

3.2 基本假設(shè)及計(jì)算模型

基本假設(shè)：

(1)將整個(gè)蓄冷槽看做一個(gè)封閉體；

(2)通過水槽壁面導(dǎo)熱引起的熱損失不計(jì)，即在邊界條件設(shè)置中認(rèn)為外壁是絕熱的；

(3)無(wú)外力及內(nèi)熱源；

(4)假設(shè)槽在整個(gè)充冷過程中，布水器的工作狀態(tài)達(dá)到理想狀態(tài)，即各個(gè)進(jìn)口處在任意時(shí)刻內(nèi)的流速、溫度是均勻一致的。

計(jì)算模型：

對(duì)于本文的研究模型，Re/Ri較小，當(dāng)Re/Ri超過500時(shí)層流才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鱗10-11]，因此選用層流模型對(duì)充冷過程進(jìn)行模擬研究。

3.3 邊界條件及初始條件

(1)入口條件：三種工況均采用質(zhì)量入口，質(zhì)量流量均為0.277 8 kg/s，入口溫度277 K。

(2)出口條件：壓力出口，出口溫度285 K。

(3)重力影響：g=-9.81 m/s2。

(4)流體密度采用線性插值確定。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 穩(wěn)定斜溫層的形成過程

蓄水槽中水的初始溫度為285 K，充冷溫度為277 K。當(dāng)水溫大于277 K時(shí)，水的密度隨著溫度升高而減小，充冷過程中依靠密度差產(chǎn)生一個(gè)均勻的重力流，隨著下部冷水與上部溫水傳熱過程的進(jìn)行，槽中逐漸形成穩(wěn)定的溫度分層。如圖3所示，以工況2為例，充冷過程初期就開始在垂直高度方向出現(xiàn)溫度差異，15 min時(shí)底部布水管以下位置接近充滿277 K的水，蓄水槽底部有明顯的擾動(dòng)，充冷過程進(jìn)行至30 min，從溫度分層的云圖上可以看到明顯且較為穩(wěn)定的斜溫層。隨著充冷過程的繼續(xù)進(jìn)行，斜溫層穩(wěn)步上升。

圖3 工況2穩(wěn)定斜溫層的形成情況

圖4 15 min時(shí)三種工況下蓄冷槽底部溫度分布情況

充冷過程在0～20 min時(shí)，三種工況下蓄水槽底部的溫度分布情況有明顯差異，如圖4所示。造成溫度分布差異的直接原因是速度差異，在下一節(jié)中有詳細(xì)分析。充冷過程20 min后至充冷過程結(jié)束，三種工況斜溫層的變化情況基本相同。

4.2 開孔角度對(duì)蓄水槽底部速度分布的影響

觀察三種工況下蓄水槽的溫度分布曲線如圖5所示，充冷過程進(jìn)行至20～40 min時(shí)，由于同一時(shí)刻三種工況下溫度分布曲線較為接近，不易區(qū)分，因此將部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表中以作比較，如表4、表5、表6所示。三種工況下同一時(shí)刻水槽中0.5～2.5 m高度區(qū)間垂直高度方向溫度分布情況基本相同。隨著充冷過程的進(jìn)行，溫度分布的變化情況也基本相同。充冷過程至40 min時(shí)，蓄冷槽底部溫度波動(dòng)極小，即在此時(shí)三種工況都已形成較為穩(wěn)定的斜溫層。

圖5中可看出，在0～0.5 m高度處，同一時(shí)刻三種工況下垂直高度方向溫度分布有區(qū)別。隨著開孔角度的增大，開孔個(gè)數(shù)減少，布水器出流的分散程度增大，在相同流量的情況下，布水器的出流速度增大。出流速度的不同導(dǎo)致了流體在x、y、z方向速度分量的差異，x與z方向存在速度分量是造成擾動(dòng)的直接原因，從而導(dǎo)致垂直高度方向溫度分布的差異。如表7所示。

圖5 同一工況不同時(shí)刻下蓄水槽溫度分布曲線

表4 充冷至20 min時(shí)三種工況溫度分布情況

表5 充冷至30 min時(shí)三種工況溫度分布情況

表6 充冷至40 min時(shí)三種工況溫度分布情況

表7 20 min時(shí)x和z方向的速度分量

注：幾種工況下y方向速度分量相同，uy=3.44×10-4m/s，也即蓄水槽橫斷面流速。

由表7可看出，在0.5 m高度處，工況2的速度分量絕對(duì)值大于工況3的值，其余情況下，隨著開孔角度的增大，蓄水槽中流體在x和z方向的速度分量絕對(duì)值逐漸增大，也即垂直高度方向上流體的擾動(dòng)情況越來越大。但由于速度分量的數(shù)值較小，相對(duì)于uy的值也很小，因此可以忽略擾動(dòng)的影響。

圖6 充冷過程至60 min時(shí)溫度分布曲線

4.3 開孔角度對(duì)斜溫層厚度的影響

如圖6所示，溫度在277～285 K的部分為斜溫層。充冷過程初期，三種工況垂直高度方向溫度分層情況基本相同，溫度分布曲線接近重合。充冷過程后期，斜溫層出現(xiàn)了較為明顯的差異。由圖6可看出，充冷過程至60 min時(shí)，工況2的斜溫層厚度略小于1 m，工況1的斜溫層厚度約為1 m，工況3的斜溫層厚度約為1.2 m。工況1與工況2在充冷過程中溫度分層情況相似，工況2的斜溫層厚度較小，充冷過程后期工況3形成的斜溫層厚度最大。

綜合考慮出流速度大小、出流均勻性及溫度分布情況，工況1由于開孔角度最小，開孔數(shù)量最多，孔口分布最為密集，因此出流較為集中，各個(gè)方向出流不均勻。工況3開孔角度最大，開孔數(shù)量最少，出流最為分散，在底部形成的擾動(dòng)較大，充冷過程后期形成的斜溫層厚度最大。工況2各個(gè)方向出流較為均勻，充冷過程中斜溫層厚度較小。因此在三種工況中，開孔角度為90°時(shí)布水器性能最好。

5 結(jié)論

本文針對(duì)溫度分層型水蓄冷槽提出了一種新型布水器開孔方式，即在一定的開孔角度下使相鄰距離最小的三個(gè)孔成等邊三角形。利用CFD軟件對(duì)同一流量下三種開孔角度的布水器進(jìn)行了模擬研究，比較分析在充冷過程中三種工況的垂直高度方向溫度分布情況和蓄冷槽底部的速度分布。得出如下結(jié)論：

(1)充冷過程在0～40 min過程中，蓄水槽底部溫度變化情況不同，充冷過程至40 min時(shí)，三種工況下均形成了穩(wěn)定斜溫層。

(2)隨著開孔角度的增大，開孔個(gè)數(shù)減少，在流量相同的情況下，布水器出流速度增大。出流速度的差異導(dǎo)致了擾動(dòng)情況的不同，出流速度越大，擾動(dòng)越大。但由于擾動(dòng)速度分量較小，因此可以忽略其影響。

(3)開孔角度對(duì)斜溫層厚度有影響，充冷過程至60 min后，開孔角度為90°時(shí)斜溫層厚度最小，開孔角度為120°時(shí)斜溫層厚度最大。

(4)開孔角度的不同造成了出流均勻性的差異。開孔角度為60°時(shí)出流較集中，開孔角度為90°時(shí)出流較均勻，開孔角度為120°時(shí)出流較分散。

綜合考慮出流速度大小、出流均勻性及溫度分布情況，在三種開孔角度中，開孔角度為90°時(shí)布水器性能最好。

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SimulationonDynamicCharacteristicofThermoclineinTemperatureStratifiedChilledWaterStorageTank

MU Di1, GAO Nai-ping1, ZHU Tong1, WANG Chun-sheng2, YAO Bo2

(1.School of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.ShenzhenZhongding Air Conditioning Purge CO.,LTD, Shenzhen 518033, China)

A new kind of opening angle is proposed for temperature stratified chilled water thermal storage tank. Computational Fluid Dynamics (CFD) method is used to analyze the influence of different opening angles of distributors on the temperature distribution in the thermal storage tank. Three opening angles of 60°, 90°,120°with the same flow rate of 1.0 m3/h are modeled. By the simulation, the thermal stratification in vertical direction and the velocity field in the bottom of the tank are tested and investigated in the charging process. The results show that the thinnest and most stable thermocline shows when the opening angle is 90°.

temperature stratified chilled water storage; thermocline; distributor; opening angle; simulation

2013-11-11修訂稿日期2014-02-28

穆迪(1992～)，女，博士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖL(fēng)與室內(nèi)氣流組織。

TU83

A

1002-6339 (2014) 05-0404-06