基于CFD的冷熱水混合器設計

莫鵬飛　王旭

【摘 要】分析了決定冷熱混合器性能的關鍵。構建了兩種不同的混合器模型，并以RNC（renormalization group）k-ε為計算湍流模型，采取六面體非結構化網格劃分整個流場。最終，計算出了兩種方案的溫度、壓強分布。為后續的產品生產中的材料選擇、工藝安排提供了理論依據。

【關鍵詞】冷熱混合器；模型；網格劃分

冷熱混合器，本質上是屬于溫水供應系統的機械設備。其運行的規律是，由一端通入冷水，另一端通入熱水，二者在設備內部進行熱交換以后，便流出溫水供人使用。該設備內部是處于流場的運轉狀態，所以設計關鍵，在于其中的流態必須滿足要求，即需要保證內部具有良好的流態。因此，流場的溫度、壓強、速度等狀態必須合理。在工業設計中，流場的狀態通常很復雜，且不呈現規律的趨勢。故如何能保證其狀態的良好性，是一個必須面對的問題。鑒此，通過構建了以平面法向流入和以平面切向流入兩種不同三維混合器內部流場模型，對其進行流態仿真，得出了其中的溫度、壓力分布規律。以此為依據，選定了最優的設計方案，為產品后續的加工、生產奠定了基礎。

1 混合器模型的構建

混合器的基本結構是：左右兩側進水管，混合容器，下部漸縮通道以及最終的等徑流出管組成。由于兩中混合器均由規則簡易圖形組合而成，故大部分三維建模軟件都能很方便建模。但為了方便后續網格劃分和便于使用FLUENT數值模擬[1]，采用Gambit建模[2]。

2 混合器的數值模擬計算

因為模型對水力性能要求較高。因此，在對模型的數值計算仿真中，精度的控制非常重要，所以對于計算中湍流模型的選擇，擬選用目前在實際工程應用廣泛，且計算精度很高的RNC（renormalization group）k-ε修正模型[3]，表達式為：

■+■=■（μ+■）■+G■-pε （1）

2.1 網格的劃分

網格劃分的實質，是針對已經構建好的模型，對其需要進行計算的區域展開離散的過程[4]。通常情況下，在流體機械的三維流場模型網格類型的定義中，均采用六面體非結構化網格，兩種方案的混合器模型及網格劃分情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 模型1網格劃分 圖2 模型2網格劃分

2.2 邊界條件的設定

邊界條件的確定，是針對流場計算過程中的速度壓力分布類型而言的，模型中那些代表模型邊界的拓撲結構實體的物理特性和操作特性以及為邊界命名，方便后續CFD軟件對流體邊界條件的補充設定。在該計算過程中，邊界條件設定很簡單，無論是模型1還是模型2，左右兩管段的斷面，均設定為速度進口，下方的管段斷面，設定為自由出流，其余皆為壁面邊界條件。

3 計算結果分析

混合器計算結果的后處理，本質是用一系列有限個離散點上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值[5]并最終以圖象顯示。包括速度、溫度、壓強、流向等等。由于此處僅僅討論壓強與溫度影響，所以此處僅討論兩中混合器溫度與壓強的對比關系。

3.1 計算結果的后處理

為了便于觀察，取恒定X-Z平面為觀察對象，即在X-Z平面上：模型1混合器的溫度分布（圖3）和模型2混合器的溫度分布（圖4）。

圖3 模型1溫度分布 圖4 模型2溫度分布

壓力分布決定材料的選取和制造工藝，為了方便對比觀察取和溫度相同的觀察平面。分別得出模型1和模型2的壓力分布圖，如圖5和圖6所示。

圖5 模型1壓力分布 圖6 模型2壓力分布

3.2 兩種方案的計算結果分析

（1）由圖3、圖4所示，水流從進水管至出水管，無論模型1還是模型2，其溫度變化趨勢均是向著熱量平衡的方向變化，即冷水方向逐漸升溫，熱水方向逐漸降溫，最終達到熱平衡。區別在于混合器的壁面上，模型1的壁面溫差較小，模型2的壁面溫差較大。

（2）由圖5、圖6所示，兩混合器在壓強分布上差別較大。在水流進水管中，平面法向流入混合器壓強始終較大而且遞減不明顯且與進水溫度有關；但在平面切向流入混合器中進水壓強成對稱遞減且與溫度影響較低。在混合器容器中，平面法向流入混合器壓強始終較高，并且在下部漸縮通道低處有升壓現象；但在平面切向流入混合器壓強中卻相對較低，在下部漸縮通道中下降到負壓。在等徑流出管中，平面法向流入混合器呈現出壓強遞減趨勢，并最終減為負壓；但在平面切向流入混合器中壓強始終保持不變與下部漸縮通道一樣始終為負壓。

綜上所訴，對溫度要求控制較高的可以選擇平面法向流入混合器，但在壓強和材料成本要求較高的可以選擇平面切向流入混合器，因為其內部和焊接處壓強變化較小，從而可以減小容器的制作要求降低成本。

4 結論

為了討論液體流向對混合影響，建立了平面法向流入混合器和平面切向流入混合器三維模型，并對其進流場CFD分（下轉第174頁）（上接第159頁）析。模擬得出其流場溫度，壓強分布，得到不同的混合要求可以選擇不同的混合模型。為模型設計選擇提供了理論依據。

【參考文獻】

[1]ANSYS Inc.FLUENT 612 UDF manual[M].South2pointe，USA：F：luentInc.，2005.

[2]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]王旭，張禮達.中小型混流式水輪機導水機構內部流場分析與研究[D].成都：西華大學2009.

[4]韓占忠.王敬.蘭小平.FLUENT—流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[5]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[責任編輯：王春燕]