基于Fluent的蓄冰槽氣體取冷特性研究

茅靳豐 吉少杰 李偉華 李永

解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院

基于Fluent的蓄冰槽氣體取冷特性研究

茅靳豐 吉少杰 李偉華 李永

解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院

為了探討不同進(jìn)氣狀態(tài)下的蓄冰槽釋冷特性，通過(guò)對(duì)蓄冰槽與進(jìn)風(fēng)氣體的耦合傳熱過(guò)程分析，建立了矩形蓄冰槽內(nèi)外兩側(cè)的二維傳熱模型，基于CFD軟件Fluent對(duì)不同進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)速度的工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到出風(fēng)溫度和冰的融化率在不同工況下隨時(shí)間的變化特性。結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)溫度越高，出風(fēng)溫度越高，同時(shí)出風(fēng)溫度的降幅越大，進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)融冰速率的影響越明顯；進(jìn)風(fēng)速度越大，出風(fēng)溫度減少量越小，進(jìn)風(fēng)速度對(duì)融化速率的影響越弱。

凝固融化模型 氣固耦合傳熱 融化速率

隨著冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展和完善，將室內(nèi)高溫空氣直接與蓄冰槽進(jìn)行熱交換的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以其蓄冷量大、設(shè)備簡(jiǎn)單、空間利用率高等特點(diǎn)越來(lái)越受到人們的重視，尤其是在一些應(yīng)急避難場(chǎng)所、軍事設(shè)施、易燃易爆物品倉(cāng)庫(kù)和食品冷藏室等已經(jīng)有了初步應(yīng)用[1～4]。

蓄冰槽在釋冷過(guò)程中伴隨著冰的導(dǎo)熱，冰水相變，水的自然對(duì)流等因素，其傳熱過(guò)程比一般的傳熱復(fù)雜得多，這使得對(duì)蓄冰槽的氣體取冷特性研究變得十分困難。雖然眾多研究者對(duì)冰蓄冷空調(diào)的融冰特性開(kāi)展了深入研究[5～9]，但由于氣體取冷冰蓄冷空調(diào)結(jié)構(gòu)的特殊性，其融冰特性的研究還比較少。本文基于CFD軟件Fluent的融化模型，對(duì)氣冰耦合傳熱過(guò)程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，從氣體的進(jìn)風(fēng)溫度，流速兩個(gè)方面對(duì)蓄冰槽融冰與氣體取冷特性進(jìn)行了研究。

1 蓄冰槽氣冰耦合傳熱模型

1.1 物理模型

融冰取冷時(shí)，流經(jīng)蓄冰槽外壁的高溫空氣通過(guò)對(duì)流換熱帶走熱量，使蓄冷槽內(nèi)的冰自外向內(nèi)融化。整個(gè)過(guò)程的傳熱機(jī)理主要包括空氣與槽體的對(duì)流換熱，槽體的導(dǎo)熱，槽體與水的對(duì)流換熱，水的自然對(duì)流，冰水相變，冰的導(dǎo)熱等。模型選取了尺寸為310mm× 150mm的冰塊放置在尺寸為330mm×170mm的槽體中，整個(gè)槽體位于400mm×200mm區(qū)域內(nèi)，進(jìn)出風(fēng)口位于左右兩邊中間，高度為30mm。其二維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 蓄冰槽氣冰耦合傳熱模型

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，便于分析，氣冰耦合傳熱模型做如下假設(shè)：①槽內(nèi)冰的初始溫度均勻一致，為一常數(shù)tice≤0℃；②在整個(gè)傳熱過(guò)程中空氣、鋁、水、冰的物性參數(shù)保持不變；③蓄冰裝置保溫性能良好，忽略其與周圍環(huán)境的換熱；④相變過(guò)程中引起的體積變化忽略不計(jì)；⑤忽略融化過(guò)程中水的自然對(duì)流，認(rèn)為水處于無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)；⑥交換的熱量大部分用來(lái)融化冰，只有一小部分用來(lái)升高冰溶化后水的溫度；⑦流固壁面的傳熱為耦合傳熱。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 外層空氣側(cè)的數(shù)學(xué)模型

空氣在蓄冰槽壁面被冷卻，產(chǎn)生自然對(duì)流，同時(shí)又有入口處的水平風(fēng)速，形成空氣的強(qiáng)制對(duì)流，通常是湍流流動(dòng)，因此選用應(yīng)用較為普遍的k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

湍流粘度：

式中：Cμ為常數(shù)；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率。

1.2.2 蓄冰槽內(nèi)冰側(cè)的數(shù)學(xué)模型

由于涉及到冰的融化，選用Fuent內(nèi)部融化/凝固模型，此模型采用“熱焓法模型”進(jìn)行數(shù)值模擬，將熱焓和溫度一起作為待求函數(shù)，在整個(gè)區(qū)域（包括液相、固相和兩相界面）建立統(tǒng)一的能量方程，利用數(shù)值方法求出焓值后，再確定兩相界面。這種方法具有毋須跟蹤相變界面和不必將液相區(qū)和兩相區(qū)分開(kāi)處理的優(yōu)點(diǎn)[10]。

式中：ρ，c，Tm，ρs，cs,，λ，ρl和cl分別為蓄冷介質(zhì)密度，比熱容，相變溫度，固相密度和比熱，相變潛熱，以及液相密度和比熱。

1.2.3 定解條件

設(shè)定冰的初始溫度為0℃，為了分析空氣進(jìn)風(fēng)溫度，風(fēng)速對(duì)整個(gè)取冷過(guò)程的影響，分別選用進(jìn)風(fēng)溫度為298K，303K，308K；速度為0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s各三種工況進(jìn)行模擬。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同的進(jìn)風(fēng)溫度、速度對(duì)出風(fēng)溫度的影響

為了分析不同進(jìn)風(fēng)溫度、速度對(duì)出風(fēng)溫度的影響，分別在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s條件下，對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度分別為298K、303K和308K三種工況和在進(jìn)風(fēng)溫速為298K條件下，對(duì)進(jìn)風(fēng)速度分別為0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s三種工況進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同進(jìn)風(fēng)溫度條件下出風(fēng)溫度隨時(shí)間變化

圖3 不同進(jìn)風(fēng)速度條件下出風(fēng)溫度隨時(shí)間變化

從圖2中可以看出，三種工況下進(jìn)風(fēng)溫度越高，出風(fēng)溫度越高，但出風(fēng)溫度的降幅越大，其中進(jìn)風(fēng)溫度為308K工況，平均出風(fēng)溫度下降了12.5K，降幅為4.06%；進(jìn)風(fēng)溫度303K工況，平均出風(fēng)溫度下降了10.7K，降幅為3.53%；進(jìn)風(fēng)溫度298K工況，平均出風(fēng)溫度下降了8.9K，降幅為3.00%，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)溫度的增大提高了其與蓄冰槽壁面的溫差，加大了換熱量。從圖3可以看出，在進(jìn)風(fēng)溫度相同的情況下，進(jìn)風(fēng)速度越大，出風(fēng)溫度越高，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)速度的增大縮短了其與蓄冰槽壁面的換熱時(shí)間，減小了單位流量空氣的換熱量。另外，每個(gè)曲線的出風(fēng)口溫度最初都隨時(shí)間緩慢上升，到達(dá)一定時(shí)間后，出風(fēng)溫度快速上升，同時(shí)溫度越高，速度越大，其出口溫度梯度越大。這是因?yàn)殡S著冰的融化，水的導(dǎo)熱熱阻越來(lái)越大，降低了蓄冰槽與空氣之間的換熱量，出風(fēng)溫度緩慢上升；當(dāng)冰融化完之后，與空氣的熱量交換全部來(lái)自于水的顯熱，導(dǎo)致水溫上升較快，與空氣溫差減小，出風(fēng)溫度快速上升。由此可見(jiàn)，為了提高室內(nèi)溫度的舒適性，保持出風(fēng)溫度的恒定，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較大時(shí)，增加蓄冰槽的并聯(lián)數(shù)量，減小了空氣在蓄冰柜內(nèi)的流動(dòng)速度，就可有效降低出風(fēng)溫度，反之亦然。

2.2 不同的進(jìn)風(fēng)溫度、速度對(duì)融化速率的影響

不同進(jìn)風(fēng)溫度、速度條件下融化率隨時(shí)間的變化如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度越高，速度越大，融化速率越快，且整個(gè)融化過(guò)程融化速率基本穩(wěn)定，融化速率隨時(shí)間略微減緩。進(jìn)風(fēng)溫度從298K增加到303K，再增加到308K，兩次溫度升幅分別為1.68%和1.65%，而融化速率分別升高了19.35%和23.68%，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)溫度越高對(duì)融化速率的影響越明顯。進(jìn)風(fēng)速度從0.5m/s增加到1.0m/s，再增加到1.5m/s，兩次速度升幅分別為100%和50%，而融化速率分別升高了43.20%和18.00%，說(shuō)明隨著進(jìn)風(fēng)速度的增加，進(jìn)風(fēng)速度對(duì)融化速率的影響越來(lái)越弱。由此可見(jiàn)，在對(duì)風(fēng)量要求不是很嚴(yán)格的工程中，只需要一個(gè)適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，不必追求過(guò)高的風(fēng)速，因?yàn)檫^(guò)高的風(fēng)速必然導(dǎo)致消耗更多的資源，且對(duì)效率的提高也不明顯。

圖4 不同進(jìn)風(fēng)溫度條件下融化率隨時(shí)間變化

圖5 不同進(jìn)風(fēng)速度條件下融化率隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)蓄冰槽融冰與氣體取冷耦合傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到不同時(shí)刻蓄冰槽內(nèi)外區(qū)域的溫度場(chǎng)以及融化界面位置和形狀，從數(shù)值模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）冰的融化過(guò)程具有比較清晰的相變界面，此相變界面隨時(shí)間以一定的速度在逐漸縮小，且減小速率逐漸變慢，說(shuō)明融冰速率隨時(shí)間略微減緩。出風(fēng)溫度隨時(shí)間緩慢上升，當(dāng)冰完全融化之后，出風(fēng)溫度隨時(shí)間快速上升。

2）進(jìn)風(fēng)溫度越高，出風(fēng)溫度越高，但出風(fēng)溫度的降幅越大，進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)融冰速率的影響越明顯。為了提高室內(nèi)溫度的舒適性，保持出風(fēng)溫度的恒定，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較大時(shí)，增加蓄冰槽的并聯(lián)數(shù)量，減小了空氣在蓄冰柜內(nèi)的流動(dòng)速度，就可有效降低出風(fēng)溫度，反之亦然。

3）進(jìn)風(fēng)速度越大，出風(fēng)溫度越小，進(jìn)風(fēng)速度對(duì)融化速率的影響越弱?？紤]到工程應(yīng)用的效益問(wèn)題，選用一個(gè)適當(dāng)?shù)乃俣燃纯伞?/p>

4）隨著融化的進(jìn)行，蓄冰槽內(nèi)溫度分層越來(lái)越明顯，融冰結(jié)束時(shí)溫差達(dá)到7K，反映出隨著水層的加厚，忽略水的自然對(duì)流，單純認(rèn)為水純導(dǎo)熱過(guò)程的誤差會(huì)變大。

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Re s e a rc h on Air Ta ke Cold of Ic e Stora ge Ta nk Cha ra c te ris tic ba s e d on Flue nt

MAO Jin-feng,JI Shao-jie,LI Wei-hua,LI Yong
Engineering Institute of Corps of Defence,PLA University of Science and Technology

In order to discuss the discharge characteristic of ice storage tank in different inlet conditions,through analysis of the ice storage tank and the inlet air coupled heat transfer process,established the rectangular ice storage tank both inside and outside of the tow-dimensional heat transfer model,numerical simulated on different inlet air temperature,wind speed conditions based on CFD software fluent,get out of the outlet air temperature and ice melting rate change characteristic with time in different conditions.The results show that the higher temperature of inlet air,the higher temperature of outlet air,at the same time,the bigger declines of outlet air temperature,the more obvious inlet air temperature effect on the rate of ice melting；that the bigger inlet wind speed,the smaller declines of the outlet air temperature,the weaker effect of inlet wind speed on the rate of ice melting.

solidification and melting model,gas-solid coupling heat transfer,ice melting rate

1003-0344（2015）01-052-4

2013-10-9

茅靳豐（1962～），男，教授，江蘇省南京市白下區(qū)海福巷1號(hào)暖通教研室（210007）；E-mail:jishaojie@126.com