不同進水口設計的冷熱混合器計算機仿真

於朗

【摘 要】本文闡述了對冷熱混合裝置進行計算機流場仿真的必要性。為確定最優方案，設計了兩種法向和切向入口的兩種混合器流場模型。數值計算中，湍流模型確定為RNC（renormalization group） k-ε雙方程模型，采取非結構化網格劃分流域，并采用標準壁面函數定義邊壁。最后，仿真出了兩種方案的溫度和壓力分布規律，為后續不同性能要求下的，產品類型選擇，提供了參考依據。

【關鍵詞】冷熱混合器；流場模型；計算機仿真

冷熱混合裝置，是一種提供溫水的機械裝置。其作用機理為：在裝置中設計兩個入水口，當設備運行時，一邊供應冷水，而另一邊則由一定溫度的熱水進入裝置內部。冷、熱水在裝置內部完成循環和熱量交流。待穩定后，水溫已調整至合理的溫度，從下方的出水口流出，以供人舒適地使用。由于設備的內部，是兩種不同溫度水流的速度、壓力、能量交匯狀態，故裝置設計的關鍵，在于如何保證水流狀態的良好性。實際上，冷熱裝置中的水流運動狀態，往往非常復雜，規律性并不強，所以難以進行準確的預測和描述。故如何在設計中能把握其狀態，是值得鉆研的問題。隨著計算機硬件的發展，仿真技術已經日趨成熟。通過模擬設備中的水流狀態，可以比較準確地把握其內部的運動情況。因此，本文建立了法向與切向兩種入水端的流場三維模型，并采用RNG k-ε湍流模型進行流場數值計算，以便計算兩種方案下的水流運行規律，并通過比較選擇最佳設計方案，為該產品后續投入生產，提供理論依據。

1 流場三維模型的建立

要完成混合器的內部流場模擬，第一步就是需要建立流場三維模型。在實際中，由于其結構較為復雜，如果建立精確的模型，往往會導致一些小區域（如螺栓孔附近）無法生成適合的網格，繼而影響計算。為提高仿真的效率，本文采用簡化的物理模型，進行計算機仿真。簡化后的冷熱水混合裝置模型，其主要的部件包括：供冷、熱水流入的管段，裝置本體，裝置下端的過渡段以及出水口，法向和切向兩種流場模型，如圖1～2所示。

2 冷熱水裝置內部流場數值計算

2.1 基本條件的設置

在數值計算中，條件的設置，關系到仿真結果的精度。因此，條件設置環節，務必反復論證，盡可能選擇區域合理的狀態。該過程中，基本條件的選擇主要有：（1）湍流模型。在該條件的確定上，由于文獻[1]研究中，RNG k-ε湍流模型取得了良好的計算精度，故本文也采用該模型；（2）流場網格的類型確定。擬采用六面體非結構化網格；（3）近壁區域的處理，選擇工程中應用最廣的標準壁面函數；（4）迎風格式。數值計算中的迎風格式確定為二階迎風式。

2.2 邊界條件的設定

邊界條件，是根據實際中，水流進入裝置和流出裝置的情況，進行一個模擬設定。若設置的情況與實際運行狀態越接近，則仿真精度越高。在仿真的前處理過程中，兩種方案均采用相同的條件設置：即進水截面，定義為流量進口條件；出水截面，則設置為壓力出口條件，未定義部分，均默認為固體壁面。

3 仿真結果分析

計算結果的后處理，是將網格劃分的有限離散節點，近似轉換成變量的合集，利用差分方程，構建這些離散點參數之間的代數表達式。最后，完成該非線性代數方程組的近似求解，并以云圖顯示出來，并以此作為結論進行分析。由于測試數據較多，本文僅選擇壓力和溫度進行說明。

3.1 計算結果的后處理

為觀察方便，擬確定X-Z平面為基準，進行觀察。方案1和方案2的溫度分布情況，如圖3、圖4所示。

壓力分布的基準面選取，與溫度相同。二者的壓力分布，如圖5、圖6所示。

3.2 兩種方案的計算結果分析

（1）如圖3、圖4所示，當水流從入口截面至出截面，兩種方案的溫度變化規律均逐漸向中心平衡，即在容器本體內部，冷水端向中間逐漸升溫，而熱水端向中心逐漸降溫，早靠近中心區域，均實現熱平衡，即出水溫度約為40度，滿足使用要求。二者的不同之處在于，方案1的固體邊壁，溫差較小，熱量損失小；而后者的溫差很大，故熱量損失較多。

（2）如圖5、圖6所示，兩種方案下，壓力分布的狀態偏差很大。在進水管段，法向流入的混合裝置始終保持較高的壓力，且壓差很小；然而，切向流入的設計方案，壓力沿中心基本對稱，且向中心區域附近逐漸下降，可以認為，該方案下，壓力受溫度的影響不大。在容器內部，方案1的下端，壓力有上升趨勢；而方案2的下端，壓力逐漸下降到負值，該指標會影響到裝置的使用壽命。

綜上所述，兩種設計方案并無確切的優劣之分。若將溫度和使用壽命指標作為關鍵性能參數，則可以選擇方案1；而對水壓的舒適度要求較高的話，可以考慮壓力較小的方案2。

4 結論

為設計出流態分布良好的冷熱水混合裝置，構建了法向和切向流入的混合裝置內部流場三維模型，并在穩定運行狀態下，對其展開CFD分析，計算出了容器內部的水流溫度和壓強分布規律，從計算結果可知，不同的需求可以選擇對應的設計方案。然而，也應該看到，影響流場規律的外在條件很多，單一的分析并不能獲得全部的分布條件，故未來的研究，需要進一步完善。

【參考文獻】

[1]王旭，李萍.不同湍流模型下水輪機蝸殼CFD仿真精度的分析[J].中國農村水利水電，2015（6）：158-161.

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[3]王旭，李萍，陳榮盛，等.水輪機橢圓蝸殼設計的CFD計算及試驗分析[J].人民黃河，2016，38（1）：109-111.

[4]Liying Wang， Dehua Wei. The Optimum Structural Design for Spiral Case in Hydraulic Turbine[J]. Procedia Engineering， 2011，15（8）：4874-4879.

[責任編輯：湯靜]