基于數(shù)值模擬技術(shù)的低壓損恒溫混水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

左明偉 曼茂立 田輝

摘? 要：基于對(duì)現(xiàn)有混水器換熱結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究，分析造成其出口溫度波動(dòng)大、壓力損失高的原因，并在此基礎(chǔ)上提出高效混水結(jié)構(gòu)形式。數(shù)值研究結(jié)果顯示：新型換熱結(jié)構(gòu)出口溫度波動(dòng)在±1℃以內(nèi)，而系統(tǒng)壓損沒有顯著降低。在考慮結(jié)構(gòu)工藝性的同時(shí)，結(jié)合優(yōu)化算法，提出一種多排短葉片混熱方式，溫度波動(dòng)控制在±1.1℃，而壓力損失降低超過50%。

關(guān)鍵詞：混水器;數(shù)值模擬;多目標(biāo)優(yōu)化;溫度波動(dòng);壓力損失

中圖分類號(hào)：TU822? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）36-0038-04

Abstract： Based on the numerical study of the heat transfer structure of the existing water mixer， the reasons for the large temperature fluctuation at the outlet and the high pressure loss are analyzed. Then， an efficient water mixer structure is proposed. The numerical results show that the outlet temperature fluctuates of the new structure within ±1℃， while the pressure loss of the system does not decrease significantly. Considering the structure process ability， and combined with the optimization algorithm， a multi-row short blade heat mixer structure is proposed. The temperature fluctuation is controlled within ±1.1℃， and the pressure loss is reduced by more than 50%.

Keywords： water mixer; numerical simulation; multi-objective optimization; temperature fluctuation; pressure loss

引言

混水器是一種根據(jù)用戶需要將定量冷熱水均勻混合而實(shí)現(xiàn)恒溫供水的設(shè)備?；焖鞲咝Щ焖沟盟疁卣{(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短，從而顯著的節(jié)省了在此過程中水資源的浪費(fèi);更重要的是，此過程中排出的水中攜帶大量熱能，調(diào)節(jié)時(shí)間的縮短使得熱能的利用率得到提升。隨著能源意識(shí)的提升[1，2]，采暖供熱系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝過程、實(shí)驗(yàn)室、大型浴室等領(lǐng)域?qū)銣毓┧枨蟮牟粩嘣黾樱焖鳟a(chǎn)品不斷受到市場(chǎng)的關(guān)注，市場(chǎng)前景廣闊[3，4]。

由于能源結(jié)構(gòu)和政策的調(diào)整，當(dāng)前混水設(shè)備尚不能很好的滿足市場(chǎng)對(duì)混水器高效恒溫供水的要求。主要體現(xiàn)在：（1）供水溫度波動(dòng)大。在熱水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的背景下，當(dāng)前混熱結(jié)構(gòu)無法高效實(shí)現(xiàn)混水換熱，通常采用混水結(jié)構(gòu)串聯(lián)或增大緩沖水箱等方式。增加了設(shè)備投入、占地面積，及系統(tǒng)復(fù)雜性。（2）壓力損失大。通過簡(jiǎn)單的增加擾流結(jié)構(gòu)，使得冷熱水通過高壓損結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)混熱的同時(shí)造成了壓力能的巨大損失[5]。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，在分析當(dāng)前結(jié)構(gòu)造成換熱效率低、壓損高原因的基礎(chǔ)上提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并通過多目標(biāo)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終在保證恒溫輸出穩(wěn)定精度的同時(shí)，顯著降低了壓力損失，還縮小設(shè)備整體尺度為混水器改型升級(jí)提供了有效解決方案。

1 現(xiàn)有混水換熱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

如圖1所示，為當(dāng)前廣泛采用的一種恒溫混水器結(jié)構(gòu)形式。一定壓力的熱水沿著頂部流入，冷水通過流量控制閥在一定壓力下沿中部?jī)蓚€(gè)口注入。為使冷熱水充分混合換熱，設(shè)置緩沖水箱并在其中布置兩級(jí)擾流葉片?；旌纤ㄟ^緩沖水箱端部出口流出。具體求解設(shè)置如下：

（1）入口邊界條件。入口為質(zhì)量流量入口，冷水兩個(gè)入口流量均設(shè)置為1.6975kg/s，溫度為5℃，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑34mm;熱水入口質(zhì)量流量為2.16kg/s，溫度為95℃，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為65mm。

（2）出口邊界條件。出口為壓力出口，設(shè)定出口相對(duì)壓力為0。

（3）壁面條件。根據(jù)選定的湍流模型，把水流作為粘性流體來處理，所以在近表面處要使用無滑移條件和無滲透條件。

結(jié)合定常計(jì)算，RNG k-ε模型，動(dòng)量方程及能量方程采用二階應(yīng)風(fēng)格式離散[6]，收斂標(biāo)準(zhǔn)為各方程的殘差均小于10-5。

圖2中給出了原型混水器內(nèi)部流線分布情況，流線的顏色反應(yīng)流體流動(dòng)速度的大小，冷色調(diào)表示速度較低，暖色調(diào)表示速度較高。圖中可見，混水器內(nèi)部流速較大的區(qū)域分別出現(xiàn)在冷熱水相遇處，以及兩級(jí)擾流葉片附近。冷熱水相遇處速度最大接近5.3m/s。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：混合過程冷熱水壓力損失均較大，冷水壓損約33kPa，熱水的壓損約48kPa。由于較大壓差的存在，降低了混水器節(jié)能降耗的作用，也使得混水器需配套冷熱水加壓設(shè)備使用，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，增加了設(shè)備投入。

圖3中給出了原型混水器出口平面溫度分布情況，圖中溫度單位為開爾文。左圖顯示暖色區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)域，冷色區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)域;右圖通過溫度等值線的方式給出了不同溫度的分布區(qū)域。由圖中可見，出口界面溫度分布并不均勻?；诋?dāng)前工況冷熱水的入口溫度及流量，理論出口溫度為313.15K，數(shù)值結(jié)果顯示出口溫度約為313.15±4K。出口界面溫度分布不均，且溫差較大，不滿足恒溫供水要求。

2 新型混水換熱結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

基于對(duì)原型混水結(jié)構(gòu)問題的分析，本文提出一種基于螺旋線型葉片的混水換熱結(jié)構(gòu)。圖4中給出新型混水器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中可見，冷熱水通過內(nèi)外嵌套的管路進(jìn)入混水結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為熱水，外層為冷水。冷熱水沿周向流動(dòng)過程逐漸進(jìn)入漸擴(kuò)管。在中央隔板的阻隔作用下，冷熱水分別沿外側(cè)及內(nèi)側(cè)并流進(jìn)入預(yù)旋段，在此過程中，中央隔板持續(xù)起到冷熱水熱傳導(dǎo)作用。預(yù)旋段由12片螺旋線型導(dǎo)流葉片組成，沿軸向流動(dòng)的主流被導(dǎo)流葉片分為12道支流，并隨著螺旋線旋向方向產(chǎn)生一定的周向分運(yùn)動(dòng)。在此過程中，中央隔板持續(xù)存在，使得冷熱水分別獨(dú)立加速旋轉(zhuǎn)，并持續(xù)進(jìn)行熱傳導(dǎo)。此后沿軸向，導(dǎo)流葉片及中間隔板同時(shí)去除，冷熱水發(fā)生直接混合。由于支流內(nèi)側(cè)為熱水，外側(cè)為冷熱，為進(jìn)一步使其混合充分，在內(nèi)外側(cè)壁面上設(shè)置圖中所示的擾流擋圈。內(nèi)外層熱水和冷水在混合過程中，由于若干層擋圈的存在使得外層冷水有向內(nèi)側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，而內(nèi)層熱水有向外側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，進(jìn)一步增進(jìn)對(duì)流換熱量。最終，混合水通過出口輸出。

新型結(jié)構(gòu)出口截面溫度分布情況，如圖5所示。圖中可見，出口截面溫度從312.4開爾文到314.2開爾文變化，右圖等溫線顯示呈同心圓形，由內(nèi)向外逐漸降低。

如圖6中所示，為新型混水結(jié)構(gòu)內(nèi)混合過程流線分布情況。圖中線條表示冷熱水從入口到出口的流動(dòng)換熱過程，左圖中流線反映了當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)速度，右圖流線反映了當(dāng)?shù)販囟?。圖中可見，沿軸線流動(dòng)的冷熱水，在漸擴(kuò)管道的引導(dǎo)下發(fā)生徑向流動(dòng)，且流速有所降低，在導(dǎo)流葉片的作用下發(fā)生加速周向旋轉(zhuǎn)。進(jìn)入自由混合段后，冷熱水發(fā)生摻混并實(shí)現(xiàn)充分換熱，流動(dòng)速度進(jìn)一步降低。伴隨著擾流擋圈的限制，冷熱水分別沿徑向相向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高效對(duì)流換熱。最后通過漸縮段，將混合水引導(dǎo)如下游區(qū)域。右圖中流線反映了流動(dòng)過程中液體溫度的變化。從中可以發(fā)現(xiàn)，換熱過程集中發(fā)生在自由混合區(qū)域，冷熱水流經(jīng)四個(gè)擾流擋圈后基本實(shí)現(xiàn)了混熱過程，溫度以處于±1攝氏度范圍內(nèi)。壓力損失方面，采用新型擾流混合的方式冷熱水混合壓力損失相對(duì)較小，冷水壓損約38kPa，熱水的壓損約44kPa。綜上所述，內(nèi)外并流混合換熱方式是一種可行的換熱結(jié)構(gòu)。

3 新型混水換熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

由于細(xì)長(zhǎng)葉片加工安裝不便，本文設(shè)法結(jié)合工藝性及混水換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)是出口輸出水溫度波動(dòng)，進(jìn)出口壓力損失（冷水壓損及熱水壓損的平均值）。優(yōu)化變量是螺旋線型葉片螺距，螺旋線圈數(shù)。優(yōu)化過程如圖7所示，優(yōu)化開始后讀入基本的優(yōu)化控制參數(shù)：種群規(guī)模population，最大進(jìn)化代數(shù)Mgen，交叉概率Pc，變異概率Pm，代溝Pg，常數(shù)ref=2.0，tas=1.0及各個(gè)優(yōu)化變量的變化范圍即給定優(yōu)化問題的可行域。接著在可行域內(nèi)隨機(jī)的產(chǎn)生30個(gè)個(gè)體作為初始種群，對(duì)其逐一進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算（網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)計(jì)算均在Fluent商用CFD軟件中進(jìn)行）。將計(jì)算結(jié)果出口溫度波動(dòng)、進(jìn)出口壓損導(dǎo)入遺傳算法內(nèi)對(duì)個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)及各種遺傳操作。然后得到新一代的個(gè)體。此時(shí)判斷是否滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)：若不滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)則新一代個(gè)體繼續(xù)經(jīng)過參數(shù)化、流場(chǎng)計(jì)算、遺傳操作…等繼續(xù)優(yōu)化;若滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)則停止優(yōu)化輸出優(yōu)化結(jié)果。

以出口溫度波動(dòng)和壓損？駐p為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化混水換熱結(jié)構(gòu)葉片結(jié)構(gòu)，進(jìn)化三十代結(jié)束后，最終得到8個(gè)Pareto解，如表1中所列。由表1的優(yōu)化結(jié)果可知，經(jīng)過種群規(guī)模為30且經(jīng)過30代的多目標(biāo)優(yōu)化，得到8個(gè)Pareto最優(yōu)解。其中，針對(duì)個(gè)體8為例，其出口溫度偏差僅約為±1.122℃，平均壓損約為19KPa，相對(duì)于原型結(jié)構(gòu)、射流混合結(jié)構(gòu)、以及長(zhǎng)葉片混熱結(jié)構(gòu)，其溫度精度提升256.5%，1.9%，-19.7%，壓損降低113.2%，436.8%，115.8%。由此可見，優(yōu)化效果十分明顯，在實(shí)際工程中可兼顧線性度偏差及測(cè)量壓損從Pareto集中選擇合適的個(gè)體作為最優(yōu)解。結(jié)合實(shí)際情況，本文選擇個(gè)體8，螺距為401mm，圈數(shù)為0.06圈，三排短葉片的新型混水換熱結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

采用新改進(jìn)型（短葉片）擾流混合的方式冷熱水混合壓力損失相對(duì)較小，冷水壓損約16kPa，熱水的壓損約22kPa。對(duì)比原型混水結(jié)構(gòu)、及長(zhǎng)葉片結(jié)構(gòu)壓損實(shí)現(xiàn)了顯著的降低;短葉片混合方式恒溫輸出水溫偏差±1.1℃，略低于長(zhǎng)葉片的換熱性能，而壓損性能及工藝性能得到了顯著提升，綜上所述短葉片混合換熱方式是一種理想的換熱結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]習(xí)近平.關(guān)于《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》的說明[J].共產(chǎn)黨員（河北），2015（27）：20-25.

[2]江澤民.對(duì)中國能源問題的思考[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（03）：345-359.

[3]潘玉泉，武曉東，肖士俊.高校學(xué)生浴池節(jié)水改造方案[J].河北水利水電技術(shù)，2002（06）：25-26.

[4]沈忠林.新型節(jié)水器材在浴池改造中的應(yīng)用[J].中國高校后勤研究，2001（02）：70-71.

[5]田輝，王文成.基于TRIZ創(chuàng)新理論的新型恒溫混水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2017，44（05）：106+108.

[6]曲云霞，王歡歡.混水器內(nèi)部物理量場(chǎng)的數(shù)值模擬分析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，32（02）：111-117+124.