不同進(jìn)水口設(shè)計(jì)的冷熱混合器計(jì)算機(jī)仿真

於朗

【摘 要】本文闡述了對(duì)冷熱混合裝置進(jìn)行計(jì)算機(jī)流場仿真的必要性。為確定最優(yōu)方案，設(shè)計(jì)了兩種法向和切向入口的兩種混合器流場模型。數(shù)值計(jì)算中，湍流模型確定為RNC（renormalization group） k-ε雙方程模型，采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分流域，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)定義邊壁。最后，仿真出了兩種方案的溫度和壓力分布規(guī)律，為后續(xù)不同性能要求下的，產(chǎn)品類型選擇，提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】冷熱混合器；流場模型；計(jì)算機(jī)仿真

冷熱混合裝置，是一種提供溫水的機(jī)械裝置。其作用機(jī)理為：在裝置中設(shè)計(jì)兩個(gè)入水口，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，一邊供應(yīng)冷水，而另一邊則由一定溫度的熱水進(jìn)入裝置內(nèi)部。冷、熱水在裝置內(nèi)部完成循環(huán)和熱量交流。待穩(wěn)定后，水溫已調(diào)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(shè)備的內(nèi)部，是兩種不同溫度水流的速度、壓力、能量交匯狀態(tài)，故裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于如何保證水流狀態(tài)的良好性。實(shí)際上，冷熱裝置中的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，往往非常復(fù)雜，規(guī)律性并不強(qiáng)，所以難以進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測和描述。故如何在設(shè)計(jì)中能把握其狀態(tài)，是值得鉆研的問題。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。通過模擬設(shè)備中的水流狀態(tài)，可以比較準(zhǔn)確地把握其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行流場數(shù)值計(jì)算，以便計(jì)算兩種方案下的水流運(yùn)行規(guī)律，并通過比較選擇最佳設(shè)計(jì)方案，為該產(chǎn)品后續(xù)投入生產(chǎn)，提供理論依據(jù)。

1 流場三維模型的建立

要完成混合器的內(nèi)部流場模擬，第一步就是需要建立流場三維模型。在實(shí)際中，由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果建立精確的模型，往往會(huì)導(dǎo)致一些小區(qū)域（如螺栓孔附近）無法生成適合的網(wǎng)格，繼而影響計(jì)算。為提高仿真的效率，本文采用簡化的物理模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(nèi)部流場數(shù)值計(jì)算

2.1 基本條件的設(shè)置

在數(shù)值計(jì)算中，條件的設(shè)置，關(guān)系到仿真結(jié)果的精度。因此，條件設(shè)置環(huán)節(jié)，務(wù)必反復(fù)論證，盡可能選擇區(qū)域合理的狀態(tài)。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(xiàn)[1]研究中，RNG k-ε湍流模型取得了良好的計(jì)算精度，故本文也采用該模型；（2）流場網(wǎng)格的類型確定。擬采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；（3）近壁區(qū)域的處理，選擇工程中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；（4）迎風(fēng)格式。數(shù)值計(jì)算中的迎風(fēng)格式確定為二階迎風(fēng)式。

2.2 邊界條件的設(shè)定

邊界條件，是根據(jù)實(shí)際中，水流進(jìn)入裝置和流出裝置的情況，進(jìn)行一個(gè)模擬設(shè)定。若設(shè)置的情況與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)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(shè)置：即進(jìn)水截面，定義為流量進(jìn)口條件；出水截面，則設(shè)置為壓力出口條件，未定義部分，均默認(rèn)為固體壁面。

3 仿真結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果的后處理，是將網(wǎng)格劃分的有限離散節(jié)點(diǎn)，近似轉(zhuǎn)換成變量的合集，利用差分方程，構(gòu)建這些離散點(diǎn)參數(shù)之間的代數(shù)表達(dá)式。最后，完成該非線性代數(shù)方程組的近似求解，并以云圖顯示出來，并以此作為結(jié)論進(jìn)行分析。由于測試數(shù)據(jù)較多，本文僅選擇壓力和溫度進(jìn)行說明。

3.1 計(jì)算結(jié)果的后處理

為觀察方便，擬確定X-Z平面為基準(zhǔn)，進(jìn)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(zhǔn)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(jì)算結(jié)果分析

（1）如圖3、圖4所示，當(dāng)水流從入口截面至出截面，兩種方案的溫度變化規(guī)律均逐漸向中心平衡，即在容器本體內(nèi)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(qū)域，均實(shí)現(xiàn)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??；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(tài)偏差很大。在進(jìn)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??；然而，切向流入的設(shè)計(jì)方案，壓力沿中心基本對(duì)稱，且向中心區(qū)域附近逐漸下降，可以認(rèn)為，該方案下，壓力受溫度的影響不大。在容器內(nèi)部，方案1的下端，壓力有上升趨勢(shì)；而方案2的下端，壓力逐漸下降到負(fù)值，該指標(biāo)會(huì)影響到裝置的使用壽命。

綜上所述，兩種設(shè)計(jì)方案并無確切的優(yōu)劣之分。若將溫度和使用壽命指標(biāo)作為關(guān)鍵性能參數(shù)，則可以選擇方案1；而對(duì)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(jié)論

為設(shè)計(jì)出流態(tài)分布良好的冷熱水混合裝置，構(gòu)建了法向和切向流入的混合裝置內(nèi)部流場三維模型，并在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)其展開CFD分析，計(jì)算出了容器內(nèi)部的水流溫度和壓強(qiáng)分布規(guī)律，從計(jì)算結(jié)果可知，不同的需求可以選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。然而，也應(yīng)該看到，影響流場規(guī)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(jìn)一步完善。

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[責(zé)任編輯：湯靜]