基于數值模擬技術的低壓損恒溫混水器結構優(yōu)化設計

左明偉 曼茂立 田輝

摘? 要：基于對現有混水器換熱結構的數值研究，分析造成其出口溫度波動大、壓力損失高的原因，并在此基礎上提出高效混水結構形式。數值研究結果顯示：新型換熱結構出口溫度波動在±1℃以內，而系統(tǒng)壓損沒有顯著降低。在考慮結構工藝性的同時，結合優(yōu)化算法，提出一種多排短葉片混熱方式，溫度波動控制在±1.1℃，而壓力損失降低超過50%。

關鍵詞：混水器;數值模擬;多目標優(yōu)化;溫度波動;壓力損失

中圖分類號：TU822? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

混水器是一種根據用戶需要將定量冷熱水均勻混合而實現恒溫供水的設備。混水器高效混水使得水溫調節(jié)時間大大縮短，從而顯著的節(jié)省了在此過程中水資源的浪費;更重要的是，此過程中排出的水中攜帶大量熱能，調節(jié)時間的縮短使得熱能的利用率得到提升。隨著能源意識的提升[1，2]，采暖供熱系統(tǒng)、生產工藝過程、實驗室、大型浴室等領域對恒溫供水需求的不斷增加，混水器產品不斷受到市場的關注，市場前景廣闊[3，4]。

由于能源結構和政策的調整，當前混水設備尚不能很好的滿足市場對混水器高效恒溫供水的要求。主要體現在：（1）供水溫度波動大。在熱水供應標準化的背景下，當前混熱結構無法高效實現混水換熱，通常采用混水結構串聯(lián)或增大緩沖水箱等方式。增加了設備投入、占地面積，及系統(tǒng)復雜性。（2）壓力損失大。通過簡單的增加擾流結構，使得冷熱水通過高壓損結構，實現混熱的同時造成了壓力能的巨大損失[5]。本文基于數值模擬技術，在分析當前結構造成換熱效率低、壓損高原因的基礎上提出結構改進方案，并通過多目標優(yōu)化算法實現結構優(yōu)化，最終在保證恒溫輸出穩(wěn)定精度的同時，顯著降低了壓力損失，還縮小設備整體尺度為混水器改型升級提供了有效解決方案。

1 現有混水換熱結構數值分析

如圖1所示，為當前廣泛采用的一種恒溫混水器結構形式。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兩個口注入。為使冷熱水充分混合換熱，設置緩沖水箱并在其中布置兩級擾流葉片。混合水通過緩沖水箱端部出口流出。具體求解設置如下：

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

（2）出口邊界條件。出口為壓力出口，設定出口相對壓力為0。

（3）壁面條件。根據選定的湍流模型，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。

結合定常計算，RNG k-ε模型，動量方程及能量方程采用二階應風格式離散[6]，收斂標準為各方程的殘差均小于10-5。

圖2中給出了原型混水器內部流線分布情況，流線的顏色反應流體流動速度的大小，冷色調表示速度較低，暖色調表示速度較高。圖中可見，混水器內部流速較大的區(qū)域分別出現在冷熱水相遇處，以及兩級擾流葉片附近。冷熱水相遇處速度最大接近5.3m/s。數值計算結果顯示：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備使用，增加了系統(tǒng)復雜性，增加了設備投入。

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)域為高溫區(qū)域，冷色區(qū)域為低溫區(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。基于當前工況冷熱水的入口溫度及流量，理論出口溫度為313.15K，數值結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 新型混水換熱結構數值分析

基于對原型混水結構問題的分析，本文提出一種基于螺旋線型葉片的混水換熱結構。圖4中給出新型混水器結構示意圖。圖中可見，冷熱水通過內外嵌套的管路進入混水結構，內層為熱水，外層為冷水。冷熱水沿周向流動過程逐漸進入漸擴管。在中央隔板的阻隔作用下，冷熱水分別沿外側及內側并流進入預旋段，在此過程中，中央隔板持續(xù)起到冷熱水熱傳導作用。預旋段由12片螺旋線型導流葉片組成，沿軸向流動的主流被導流葉片分為12道支流，并隨著螺旋線旋向方向產生一定的周向分運動。在此過程中，中央隔板持續(xù)存在，使得冷熱水分別獨立加速旋轉，并持續(xù)進行熱傳導。此后沿軸向，導流葉片及中間隔板同時去除，冷熱水發(fā)生直接混合。由于支流內側為熱水，外側為冷熱，為進一步使其混合充分，在內外側壁面上設置圖中所示的擾流擋圈。內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側流動的趨勢，而內層熱水有向外側流動的趨勢，進一步增進對流換熱量。最終，混合水通過出口輸出。

新型結構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，由內向外逐漸降低。

如圖6中所示，為新型混水結構內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換熱過程，左圖中流線反映了當地流動速度，右圖流線反映了當地溫度。圖中可見，沿軸線流動的冷熱水，在漸擴管道的引導下發(fā)生徑向流動，且流速有所降低，在導流葉片的作用下發(fā)生加速周向旋轉。進入自由混合段后，冷熱水發(fā)生摻混并實現充分換熱，流動速度進一步降低。伴隨著擾流擋圈的限制，冷熱水分別沿徑向相向流動，實現高效對流換熱。最后通過漸縮段，將混合水引導如下游區(qū)域。右圖中流線反映了流動過程中液體溫度的變化。從中可以發(fā)現，換熱過程集中發(fā)生在自由混合區(qū)域，冷熱水流經四個擾流擋圈后基本實現了混熱過程，溫度以處于±1攝氏度范圍內。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較小，冷水壓損約38kPa，熱水的壓損約44kPa。綜上所述，內外并流混合換熱方式是一種可行的換熱結構。

3 新型混水換熱結構的改進

由于細長葉片加工安裝不便，本文設法結合工藝性及混水換熱結構進行優(yōu)化。優(yōu)化目標是出口輸出水溫度波動，進出口壓力損失（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。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：種群規(guī)模population，最大進化代數Mgen，交叉概率Pc，變異概率Pm，代溝Pg，常數ref=2.0，tas=1.0及各個優(yōu)化變量的變化范圍即給定優(yōu)化問題的可行域。接著在可行域內隨機的產生30個個體作為初始種群，對其逐一進行網格劃分后進行流場數值計算（網格劃分及流場計算均在Fluent商用CFD軟件中進行）。將計算結果出口溫度波動、進出口壓損導入遺傳算法內對個體進行評價及各種遺傳操作。然后得到新一代的個體。此時判斷是否滿足收斂標準：若不滿足收斂標準則新一代個體繼續(xù)經過參數化、流場計算、遺傳操作…等繼續(xù)優(yōu)化;若滿足收斂標準則停止優(yōu)化輸出優(yōu)化結果。

以出口溫度波動和壓損？駐p為優(yōu)化目標優(yōu)化混水換熱結構葉片結構，進化三十代結束后，最終得到8個Pareto解，如表1中所列。由表1的優(yōu)化結果可知，經過種群規(guī)模為30且經過30代的多目標優(yōu)化，得到8個Pareto最優(yōu)解。其中，針對個體8為例，其出口溫度偏差僅約為±1.122℃，平均壓損約為19KPa，相對于原型結構、射流混合結構、以及長葉片混熱結構，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，在實際工程中可兼顧線性度偏差及測量壓損從Pareto集中選擇合適的個體作為最優(yōu)解。結合實際情況，本文選擇個體8，螺距為401mm，圈數為0.06圈，三排短葉片的新型混水換熱結構。

4 結論

采用新改進型（短葉片）擾流混合的方式冷熱水混合壓力損失相對較小，冷水壓損約16kPa，熱水的壓損約22kPa。對比原型混水結構、及長葉片結構壓損實現了顯著的降低;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構。

參考文獻：

[1]習近平.關于《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》的說明[J].共產黨員（河北），2015（27）：20-25.

[2]江澤民.對中國能源問題的思考[J].上海交通大學學報，2008（03）：345-359.

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

[4]沈忠林.新型節(jié)水器材在浴池改造中的應用[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構設計[J].時代農機，2017，44（05）：106+108.

[6]曲云霞，王歡歡.混水器內部物理量場的數值模擬分析[J].山東建筑大學學報，2017，32（02）：111-117+124.