新型H型水蓄冷布水器的設計與數(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

水蓄冷技術在我國應用廣泛，相對于常規(guī)空調(diào)，水蓄冷空調(diào)具有一些優(yōu)點[1，2]。自然分層型水蓄冷技術是一種重要的蓄冷技術，具有較好的技術經(jīng)濟優(yōu)勢。液態(tài)水局部溫度出現(xiàn)差異時，由于自然對流形成不同溫度部分的分層。而自然分層型水蓄冷技術中的核心技術是布水器的設計[3，4]。M.W.Wildin[5～7]等人進行了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)當布水器入口弗雷德數(shù)不大于2時，蓄冷水箱可以達到較好的運行效果，當入口雷諾數(shù)減小時，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，使得整個流動呈現(xiàn)層流狀態(tài)。在實際設計運行過程中難以達到理想的布水方式。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用

對于分層型水蓄冷箱而言，熱損失主要有三個途徑：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；3）進水端布水器開口處的混合損失，這是提高系統(tǒng)蓄冷效率的關鍵所在[4]。

本文針對自然分層型水蓄冷技術設計了一種新型的H型布水器，采用數(shù)值模擬技術對該布水器的流動傳熱特性進行研究。

1 新型H型布水器結(jié)構(gòu)設計與幾何模型構(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出流體，使流體之間僅有少量混合。良好地布水器設計能夠減少蓄冷成本，充分利用蓄冷量，運行比較簡單。在運行時，布水器將水引入到蓄水箱中，依靠密度差形成一個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，布水器的設計尤為重要。

圖1為設計的新型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、能夠得到實驗所難以得到的詳細數(shù)據(jù)結(jié)果。因此，在隨著計算機技術發(fā)展和應用的普及，數(shù)值模擬也越來越得到人們的重視，并在國民經(jīng)濟建設與科學研究中得到廣泛地應用[8～10]。

采用通用商業(yè)CFD軟件FLUENT對新型H型布水器的沖冷過程進行模擬計算。FLUENT基于有限容積法對對象進行網(wǎng)格劃分求解。基本數(shù)學模型如下：

式中 ρ—密度，kg/m3；

ui—i方向速度分量，m/s；

Sm—動量源項，kg/（m3·s）。

動量守恒方程：

式中 ρ—壓強，Pa；

τij—流體的剪應力，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—標準焓，J/kg；

keff—有效導熱系數(shù)，W/（m·K）；

Jj′—擴散項；

Sh—能量源項。

浮力驅(qū)動流動和自然對流。

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

式中 Gr—Grashof數(shù)；

Re—雷諾數(shù)；

v—流體的動力粘度。

當這個數(shù)接近或者超過1時，應該考慮浮力對于流動的作用。反之，就可以忽略浮力的影響。在純粹的自然對流中，浮力誘導流動由瑞利數(shù)（Rayleigh）度量：

其中熱膨脹系數(shù)：

式中 β—熱膨脹系數(shù)；

μ —動力粘度，Pa·s；

α—擴散系數(shù)，m2/s；

k—導熱系數(shù)，W/（m·K）；

熱擴散系數(shù)：

cp熱容，J/（kg·K）。

Rayleigh數(shù)小于10^8表明浮力誘導為層流流動，當瑞利數(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。為了減少計算成本，本文采用布水器單元結(jié)構(gòu)進行模擬計算，旨在說明該布水器結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)勢之處。

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，通過網(wǎng)格依賴性檢查，網(wǎng)格大小滿足計算要求。湍流模型為標準κ-ε模型，采用SIMPLEC算法對壓力速度進行耦合。采用1階迎風格式對控制方程進行離散化。

表1 水的溫度-密度點對應關系

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算結(jié)果云圖。時間節(jié)點從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，斜溫層厚度很小，且?guī)缀鯙樗矫嫘螤睢Ｔ摬妓髟O計能夠較好地消除入口對罐體內(nèi)主流的擾動，使得斜溫層能夠有效地隔離冷熱水，提高蓄冷效率。

圖4為不同充冷時刻，蓄冷箱體內(nèi)中心溫度沿高度方向的分布曲線。可以發(fā)現(xiàn)，冷熱水之間存在一個明顯的溫度躍遷區(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拐點之間可以認為是斜溫層區(qū)域，厚度為δ。圖4d）是充冷4h，δ厚度約為0.7m；圖4e）是沖冷時間為6h，δ約為1m，相對熱流體區(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)域的拐點溫度隨著充冷時間的增加而減小，這是因為冷水區(qū)域變大，熱水區(qū)域?qū)淞鲄^(qū)的加熱效應減小造成的。

4.2 下布水器流場矢量分析

圖5為下部布水器的速度矢量圖。可以發(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°背向設計，其優(yōu)勢在于即使分流器數(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)，其流動對于上部的主流區(qū)域造成的擾動較小，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)流強度較大，大量的流體就會離開斜溫層，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。可以清楚地看出，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。該新型布水器設計消除了傳統(tǒng)設計中對斜溫層造成擾動破壞的渦流的影響，主流區(qū)流場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，布水器出口對蓄冷箱內(nèi)主流流場的擾動混合引起冷、熱水混合帶來的蓄冷效率降低是主要的。新型H型布水器的設計使得布水器出口背向蓄冷箱的主流區(qū)，避免了出口射流對主流區(qū)的直接沖擊和擾動，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小時斜溫層厚度最大約1m，布水器出口擾流對上部主流區(qū)的混合作用小，有利于提高蓄冷效率。

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