弗勞德準(zhǔn)則于迷宮式水蓄冷模型實(shí)驗(yàn)的適應(yīng)性研究

周一鳴 張 軍 薛栓平 張新記

1.上海電力綠色能源有限公司

2.杭州源牌科技股份有限公司

3.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

1 引言

1.1 研究背景

水蓄冷利用顯熱蓄冷，故其水槽占地較大，為降低蓄冷系統(tǒng)初投資，可結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，利用消防水池、原有蓄水設(shè)施作為蓄水容器[1]。針對(duì)筏板型基礎(chǔ)的建筑，可利用其筏基進(jìn)行蓄冷，充分利用現(xiàn)有資源，在節(jié)省建筑空間的同時(shí)降低蓄冷系統(tǒng)的初投資，實(shí)現(xiàn)大體積蓄冷水池與建筑完美結(jié)合。由于建筑筏基一般高度較低，底面積較大，不適合采用自然分層式水蓄冷，故采用迷宮式水蓄冷[2，3]。

目前，我國(guó)已由多個(gè)利用筏基充當(dāng)容器的冰蓄冷工程實(shí)例，比如北京國(guó)貿(mào)中心二期工程綜合樓，建筑面積約12萬(wàn)㎡，利用建筑物原有的筏基做成土建蓄冰槽，總蓄冷量46 378.7 kWh[4]；中國(guó)大飯店，建筑面積約10萬(wàn)㎡，利用機(jī)房下面的筏基做土建蓄冰槽，總蓄冷量33 851.1 kW.h[5]。

但目前國(guó)內(nèi)甚至國(guó)外，均無(wú)利用筏基進(jìn)行水蓄冷的工程案例。并且，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也很少，對(duì)于如何驗(yàn)證利用建筑筏基進(jìn)行水蓄冷的實(shí)際效果也幾乎處于空白狀態(tài)。因此，采用模型實(shí)驗(yàn)對(duì)筏基區(qū)域進(jìn)行分析研究具有相當(dāng)?shù)闹匾院捅匾浴Ｔ诜治鲞^(guò)程中，可以測(cè)試和模擬蓄冷、釋冷期間，筏基水槽內(nèi)的溫度分布與水溫變化趨勢(shì)，蓄冷系統(tǒng)的綜合效率，筏基的保溫及防水性能等。為筏基水蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提供重要的理論依據(jù)，減少項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中所存在的缺陷，以保證項(xiàng)目能可靠、高效、安全的運(yùn)行。

1.2 建模基本原理

已知迷宮式水蓄冷槽內(nèi)水流屬于液位差驅(qū)動(dòng)的孔口淹沒(méi)射流，根據(jù)滿足一個(gè)主要力相似忽略其他次要力相似的模型規(guī)律原則，選用弗勞德準(zhǔn)則數(shù)，即主要相似為重力相似[6]。模型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是模型流體和原型流體必須保持流動(dòng)相似，并需要滿足以下幾個(gè)條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、初始條件和邊界條件相似。

幾何相似是指原型與模型的外形相似，其各對(duì)應(yīng)角相等，而且對(duì)應(yīng)部分的線尺寸均成一定比例。

運(yùn)動(dòng)相似是指原型與模型兩個(gè)流動(dòng)的流速場(chǎng)和加速度場(chǎng)相似。要求兩個(gè)流場(chǎng)中所有對(duì)應(yīng)的速度和加速度的方向?qū)?yīng)一致，大小都維持固定的比例關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)相似規(guī)定了時(shí)間比尺，只要對(duì)任一對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流速和加速度都維持固定的比尺關(guān)系，也就固定了長(zhǎng)度比尺和時(shí)間比尺，就保證了運(yùn)動(dòng)相似。

動(dòng)力相似是指原型與模型兩個(gè)流動(dòng)的力場(chǎng)幾何相似。要求兩個(gè)流場(chǎng)中所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的各種作用力的方向?qū)?yīng)一致，大小都維持固定比例關(guān)系。

初始條件和邊界條件相似是指流體所處環(huán)境及邊界狀況相似，主要包括壓力、溫度、摩擦系數(shù)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)基本思路

以上海某項(xiàng)目擬建的迷宮式筏基水蓄冷項(xiàng)目為例，利用其已有設(shè)計(jì)及其已有流道CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比論證。將該水池按照上文提出的建模原理縮小，并將縮小后的模型也進(jìn)行CFD模擬，進(jìn)行模型相似性驗(yàn)證。主要通過(guò)對(duì)比兩者在蓄冷/釋冷過(guò)程中的溫度變化及最終蓄冷/釋冷效率等來(lái)判斷是否相相似。CFD模擬全稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬，英文名Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD。

2 模型CFD模擬分析

2.1 CFD建模

此次模擬分析對(duì)象為東南筏基區(qū)蓄水池按1:5比例縮小而來(lái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停撮L(zhǎng)度比尺為5），流體流道如圖1所示，蓄冷時(shí)流體流動(dòng)方向如圖箭頭所示，釋冷時(shí)則逆向流動(dòng)。

首先將原蓄水池按相似性原理縮小5倍建立模型。包括水池的外形尺寸、水池內(nèi)壁厚度、蓄水池槽壁的開(kāi)孔尺寸及定位等均在原型尺寸的基礎(chǔ)上縮小5倍，首先確保其幾何相似。所有槽壁的開(kāi)孔均由一個(gè)直徑120 mm大孔和若干直徑100 mm小孔組成，槽壁厚度為72 mm，水池凈深度336 mm。

建模軟件為ANSYS Design Modeler 14.0。模型外型尺寸按照原型尺寸1:5縮小建立，由于相鄰水槽液位差非常小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，凈蓄水高度統(tǒng)一取平均值278 mm。模型總蓄水體積（不含池壁）為 16.185 m3。

圖1 筏基實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土鞯朗疽鈭D

2.2 求解設(shè)定

求解器類型選擇基于壓力求解，物理模型選擇能量方程和湍流模型中的Standard k-epsilon（2-eqn）模型。

蓄冷邊界條件設(shè)定：原型供水流量為218.94 m3/h，由相似理論計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓├渌髁繛?18.94/52.5=3.92 m3/h，轉(zhuǎn)換成流速為0.031 225 3 m/s。設(shè)定初始水溫為12℃，即285.15 K。設(shè)定進(jìn)口邊界條件為速度入口，取值0.031 225 3 m/s，進(jìn)口溫度為5℃，即278.15K。設(shè)定出口邊界條件為出流，其它壁面邊界條件取絕熱壁面。

釋冷邊界條件設(shè)定：原型供水流量為437.88 m3/h，由相似理論計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓┧髁繛?37.88/52.5=7.84 m3/h，轉(zhuǎn)換成流速為0.043 056 1 m/s。初始水溫為蓄冷結(jié)束時(shí)水溫。設(shè)定進(jìn)口邊界條件為速度入口，取值0.043 056 1 m/s，進(jìn)口溫度為12℃，即285.15 K。設(shè)定出口邊界條件為出流，其它壁面邊界條件取絕熱壁面。

圖2 蓄冷4 830s水池溫度分布云圖

模擬時(shí)間及步長(zhǎng)設(shè)定：對(duì)于蓄冷工況，由相似理論計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M時(shí)間為8/50.5=3.578 h，即1 610 s對(duì)應(yīng)原型的1 h，以此類推。對(duì)于釋冷工況，由相似理論計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M時(shí)間為4/50.5=1.789 h。時(shí)間步長(zhǎng)統(tǒng)一取10 s。

3 CFD模擬結(jié)果

3.1 蓄冷工況

（1）蓄冷過(guò)程水池溫度分布云圖

溫度分布云圖選取蓄水池高度方向上的中間截面，蓄冷時(shí)間為12 880 s，蓄冷過(guò)程每4 830 s（對(duì)應(yīng)原型蓄冷第3小時(shí)）水池溫度分布云圖如圖2所示。從圖中可以看出蓄冷過(guò)程中低溫冷水沿設(shè)計(jì)流道流動(dòng)。

（2）蓄冷過(guò)程出口截面平均水溫變化

在蓄冷的前10 000 s，水池出水溫度維持在12℃附近，隨著時(shí)間的推移，水池出水溫度降低，但幅度不大，蓄冷過(guò)程結(jié)束時(shí)，出水溫度降為11.57℃。

（3）蓄冷過(guò)程水池內(nèi)平均水溫變化

水池內(nèi)平均水溫呈線性下降，水溫變化曲線的斜率基本保持不變，初始平均水溫為12℃，蓄冷過(guò)程結(jié)束時(shí)，平均水溫降為6.82℃。

3.2 釋冷工況

（1）釋冷過(guò)程水池溫度分布云圖

溫度分布云圖選取蓄水池高度方向上的中間截面，釋冷時(shí)間為6 440 s，由于釋冷過(guò)程是在蓄冷過(guò)程完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以對(duì)應(yīng)的時(shí)間段為 12 880 ～ 19 320 s，釋冷過(guò)程第16 100 s（對(duì)應(yīng)原型釋冷第2小時(shí)）水池溫度分布云圖如圖3所示。

模擬結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)4小時(shí)的釋冷，池內(nèi)冷量基本完全釋放，只有部分溫度較高（高于9℃）的冷量殘留池內(nèi)。

（2）釋冷過(guò)程出口截面平均水溫變化

模擬結(jié)果表明，在釋冷16 870 s前出水溫度在6℃以下，之后的釋冷溫度均高于6℃。通過(guò)對(duì)該曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到系統(tǒng)釋放的總有效冷量值（水溫不高于6℃）。

（3）釋冷過(guò)程水池內(nèi)平均水溫變化曲線

模擬結(jié)果表明，釋冷過(guò)程水池內(nèi)平均溫度的變化斜率基本保持不變，呈線性關(guān)系，這是因?yàn)樗爻鏊疁囟?℃的差值變化平緩，水池單位時(shí)間釋放冷量隨時(shí)間變化不明顯。

3.3 系統(tǒng)供冷能力及效率分析

（1）系統(tǒng)總蓄冷量

蓄冷開(kāi)始時(shí)溫度為285.15 K，水的總體積為16.185 m3，蓄水池中水的總質(zhì)量為16 185 kg。由Fluent軟件導(dǎo)出蓄冷過(guò)程中水的逐時(shí)平均溫度可知，蓄冷結(jié)束時(shí)水的平均溫度為279.971 6 K。因此，蓄冷過(guò)程中蓄冷系統(tǒng)的總蓄冷量為352 012 kJ。

（2）系統(tǒng)有效釋冷量

系統(tǒng)蓄冷12 880 s后，池內(nèi)溫度有高有低，根據(jù)系統(tǒng)形式及末端冷水溫度要求，釋放出來(lái)的可供空調(diào)末端使用的冷量為有效釋冷量，計(jì)算公式如下：

圖3 釋冷16 100 s水池溫度分布云圖

其中，—蓄冷系統(tǒng)有效釋冷量，kJ；—釋冷時(shí)出水溫度符合要求最大時(shí)刻時(shí)水的平均溫度，K。

已知可供末端使用的冷水溫度要求不高于6℃。由Fluent軟件導(dǎo)出蓄冷過(guò)程和釋冷過(guò)程中水的逐時(shí)平均溫度可知，蓄冷結(jié)束時(shí)溫度為279.971 6 K，釋冷時(shí)出水溫度不高于6℃最大時(shí)刻在16 870 s，此時(shí)水平均溫度為283.329 65 K。因此，釋冷過(guò)程中蓄冷系統(tǒng)的有效釋冷量為228 270 kJ。

（3）系統(tǒng)效率

理想的蓄冷系統(tǒng)滿足以下假想：

冷水主機(jī)輸送至蓄冷系統(tǒng)的冷量，可全部被釋放使用，即冷量可通過(guò)蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)損耗、不降級(jí)的儲(chǔ)存再使用，達(dá)到冷量的轉(zhuǎn)移保證“質(zhì)”和“量”不變。

蓄冷水池容積被完全使用，即池內(nèi)蓄存冷水均滿足使用要求，且能全部釋放無(wú)損耗、無(wú)降級(jí)，達(dá)到冷量在轉(zhuǎn)移數(shù)量上的最大化。

由此，提出兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)蓄冷系統(tǒng)效率。

1）冷量轉(zhuǎn)移效率

2）蓄冷容積利用率

經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)效率如下：

冷量轉(zhuǎn)移效率：

蓄冷容積利用率：

4 結(jié)語(yǔ)

模擬主要為了驗(yàn)證通過(guò)相似理論縮小后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行裕M結(jié)果與原型的模擬結(jié)果對(duì)比之后可得出以下結(jié)論：

（1） 蓄冷過(guò)程中，每1 610 s的水池溫度分布云圖與原型的每1 h的水池溫度分布云圖基本一致，兩者的出口截面平均水溫變化曲線基本一致，水池內(nèi)平均水溫變化曲線基本一致，證明相似理論在蓄冷過(guò)程中是可行的。

（2） 釋冷過(guò)程中，由于原型的溫度分布云圖中溫度標(biāo)尺并不統(tǒng)一，所以在視覺(jué)上看起來(lái)有差異，實(shí)際數(shù)值上也基本一致，兩者的出口截面平均水溫變化曲線基本一致，水池內(nèi)平均水溫變化曲線基本一致，證明相似理論在釋冷過(guò)程中是可行的。

（3） 釋冷過(guò)程中，原型的出口截面平均水溫不大于6℃的最大時(shí)刻出現(xiàn)在37 750 s，即釋冷過(guò)程開(kāi)始后的2.486 h，模擬結(jié)果的出口截面平均水溫不大于6℃的最大時(shí)刻出現(xiàn)在16 870 s，即釋冷過(guò)程開(kāi)始的1.108 h，轉(zhuǎn)換為原型對(duì)應(yīng)的時(shí)間為釋冷過(guò)程開(kāi)始后的2.478 h。與原型時(shí)間基本一致，也間接驗(yàn)證相似理論在釋冷過(guò)程中是可行的。

（4） 原型與模擬模型的系統(tǒng)效率對(duì)比如表1。

表1 系統(tǒng)效率對(duì)比

由表1可以看出，冷量轉(zhuǎn)移效率和蓄冷容積利用效率兩者差值很小，在可接受的誤差范圍內(nèi)。

綜上所述，弗勞德準(zhǔn)則即重力相似準(zhǔn)則可以應(yīng)用于多槽迷宮式水蓄冷的模型實(shí)驗(yàn)，利用重力相似縮小迷宮式水蓄冷槽進(jìn)行蓄冷實(shí)驗(yàn)是有意義的，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算實(shí)際情況，能為實(shí)際工程提供借鑒。

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節(jié)能信息與動(dòng)態(tài)

滬上首艘LNG綠色能源生活固廢集裝船首航成功

1月4日，由上海城投環(huán)境集團(tuán)建造的滬上首艘LNG綠色能源生活固廢集裝船——滬環(huán)運(yùn)貨6005在徐浦生活固廢基地成功首航。該集裝箱運(yùn)輸船總長(zhǎng)55.6m、船寬9.98m、船高10m、型深2.8m、載貨量600t、滿載排水量929.6t、艙容30TEU(20英寸標(biāo)準(zhǔn)集裝箱）。上海城投環(huán)境集團(tuán)從世博會(huì)開(kāi)始啟用生活固廢集裝化運(yùn)輸模式，杜絕了生活垃圾對(duì)環(huán)境二次污染。