基于Fluent的風力致熱裝置內部流場模擬研究

劉雨江 勾昱君 李耀東 孔凡釗

摘? 要：針對風力致熱能量轉化方式，提出新型攪拌致熱罐。利用阻尼孔將裝置分為4層，采用六折葉開啟渦輪式葉片對工質進行攪拌致熱。利用CFD軟件Fluent對該攪拌致熱罐內部流場進行了數值模擬計算，通過控制攪拌器轉速的不同，研究內部流場的變化規律。通過驗證對比實驗，實測溫度與模擬溫度相對誤差約為0.073，說明模擬過程中設置合理。研究結果表明，該設計在風速為12m/s時滿足預期目標產熱;當風速較低時通過采用輔助熱源也可以達到要求。

關鍵詞：風力致熱;有限元分析;攪拌器

Abstract： According to the energy conversion mode of wind heating， a new type of stirring heating tank is proposed. The device is divided into four layers using a damping hole， and a 6-folded blade is used to open the turbine blade to stir the working medium to heat. The internal flow field of the stirring heating tank is numerically simulated by using the CFD software Fluent， and the changing law of the internal flow field is studied by controlling the rotational speed of the agitator. Through the verification and comparative experiment， the relative error between the measured temperature and the simulated temperature is about 0.073， indicating that the setting in the simulation process is reasonable. The results show that the expected heat generation target can be realized by this design when the wind speed is 12 m/s， and it can also be achieved using auxiliary heat sources when the wind speed is low.

引言

我國風資源豐富，全國平均風功率密度為100W/m2。而大多數利用方式偏向于風力發電，但是由于風力發電對風速要求較高造成了不少風資源的浪費，能量轉化效率最高35%。風能熱利用將風力機輸出的機械能轉化為熱能，通過熱泵為熱用戶提供熱量，這種利用方式更符合能量梯級利用。風力致熱是將風能通過風力機收集后，將機械能傳送至攪拌桶，通過攪拌工質的方式將風能轉化為熱能，能量利用效率為40%[1]。

沈陽工業大學在1985年研制了一臺20kW的油壓式風力致熱系統。吳書遠[2]等通過分析致熱原理和過程，對風力機與致熱器的匹配做出研究，得出最佳匹配公式。寇鵬[3]設計了風力直接攪拌致熱裝置，并在自然風中進行實驗，證明了風力致熱的可行性。Melissa R.Elkinton[4]通過調查美國風能和太陽能熱力系統，設計建造了相對應的七個風力渦輪致熱模型。結果表明與傳統天然氣供暖的房屋相比，小型風光互補供暖系統通常更加昂貴，但是在大型系統下風光互補系統更具有優勢。郭宇[5]對比了17種不同工質在300～500rpm轉速范圍下的致熱效果，得出石蠟油與水1：1配比下致熱效率最高。

隨著計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）理論研究的不斷發展，CFD被應用于許多復雜流場計算中。fluent作為CFD主要仿真軟件之一有著十分強大的功能，本文基于fluent對風力致熱攪拌桶內部流場進行仿真模擬，研究結果對提高風力攪拌致熱效率提升有一定參考依據。

1 模型的建立與驗證

使用Solidworks對文獻[5]中相應的實驗模型進行1：1等比例建模，如圖1所示。

實驗中致熱蓄熱罐內徑為425mm，罐高450mm，罐內壁裝有長50mm、厚度為10mm的阻流板4片，對稱安裝在罐內;實驗中攪拌器為六直葉圓盤渦輪葉片，轉盤直徑為280mm，每片葉片長60mm，寬度為50mm，厚6mm，攪拌器模型如圖1（b）所示。

幾何模型進行網格劃分。由于存在高速旋轉域，所以將網格分為靜網格與動網格兩部分。動網格部分主要為旋轉葉片所在的部分，由于這部分變化快對其進行細化。共有元素121656個網格，總節點數為20372，網格質量較好，沒有負體積網格出現可以計算。計算選擇瞬態計算;打開能量方程，使用k-ω湍流模型，勾選模型中的粘性熱力;設置邊界條件后初始化進行計算。

對實驗中的兩種工質水、46#抗磨液壓油在攪拌致熱罐內升溫狀況進行模擬，二者物性如表1所示。

對兩種物質在300rpm、400rpm、500rpm轉速下進行模擬，模擬選取的溫度點與實驗中的測點位置相同，模擬升溫結果與文獻升溫結果相互對比如圖2所示。

通過圖2模擬數據與實驗數據對比可以發現，二者有較好的復合。在攪拌器的轉動下，工質通過摩擦、流動等將攪拌器的動能轉化為熱能升溫。模擬結果與實驗數據非常接近，證明了采用CFD的可靠性。

2 致熱罐有限元分析

2.1 幾何模型的建立

以功率為35kW的攪拌罐為設計例，通過式（1）得出攪拌器轉子半徑僅與轉速、攪拌器功率系數存在關系。攪拌功率是指在設備工作時，攪拌裝置在單位時間內向致熱罐中工質所傳遞的能量，它不包含在軸封及傳動裝置中消耗的能量。攪拌功率系數Np為[5]：

式中：Pr-致熱裝置中工質所吸收的功率，W;ρr-工質密度，kg/m3;nr-攪拌葉片的轉速，rpm;Dr-攪拌轉子的直徑，m。

而攪拌器功率系數與攪拌雷諾數、介質粘度、攪拌轉子的形狀和幾何尺寸有關。攪拌雷諾數公式為：

設計攪拌致熱罐中進出口流速為1.7272m/s。攪拌致熱罐采用中心頂插式攪拌機，攪拌容器采用立式圓筒形。這種形式應用最為廣泛，可用于壓力容器及常壓容器，但是這種形式的攪拌軸較長。

攪拌器按照流體流動形態可分為軸向流攪拌器、徑向流攪拌器、混合流攪拌器。在攪拌致熱罐的設計中，由于攪拌罐分為4層，且層與層之間存在阻尼孔，這就需要流體工質在軸向流中具備一定動能。并且在每層需要充分的渦流剪切，增大高流體之間的摩擦力從而提高致熱效率。故而選用混合攪拌器中六折葉開啟渦輪式。此攪拌器攪拌功率系數為6[6]。

液體攪拌致熱罐的具體參數及選定理由如表2所示。

建立驅動此致熱罐的風機模型，目的是計算增速比求出在不同風速下，攪拌器轉子的轉速。通過計算不同轉速下致熱桶的產熱性能，決定如何加裝太陽能板式集熱器輔助加熱。對風力機進行基本參數的選定，如表3所示。

額定風力機轉速為120rpm。選取傳動比為2.5的升速器，由此可得在額定風速12m/s下，攪拌器轉速為300 rpm。

首先對模型進行必要簡化，保留攪拌轉子、攪拌軸、阻尼孔等重要部件。在Solidworks中建立1：1物理模型。將模型劃分為動區域和靜區域，其中動區域包括攪拌轉子和攪拌軸。如圖3所示：

2.2 網格劃分

將幾何模型導入Ansys Workbench中，利用mesh軟件進行網格劃分。其中靜流體區域劃分為結構型網格，內部動區域劃分為非結構網格。內部旋轉區域高度為350mm，直徑為2000mm，頂面距葉片為143.42mm，底面距葉片為96.67mm。對于進出口部分、阻尼孔以及葉片處采用局部網格加密。網格總數為152223，節點數為103055。網格劃分情況如圖4所示。

2.3 邊界條件

將計算域劃分為旋轉域和靜止域，重合面設置為

interface。設置筒壁和阻尼孔壁面為靜止壁面。設定攪拌葉片與軸為動壁面，做旋轉運動。入口設置流速入口，流速為1.7272m/s，出口設置為壓力出口，壓力為標準大氣壓。在計算太陽能耦合時，將每層外壁面設置溫度為373.15K。

2.4 參數設置

設置過程中選用3維雙精度求解器。為了探究工質溫度的變化過程，采用瞬態模式，使用RNG k-ε模型，打開粘性熱選項。對動流域進行旋轉速度設置，設置監控殘差為1×10-2，初始壓強為一個標準大氣壓，工質初始溫度為358.15K。重力加速度方向為-y，取值9.8m/s2。動區域設置為Moving Mesh，旋轉軸為Y軸。

分別設置轉速為100rpm、200rpm、300rpm，三種轉速分別對應的風速條件為4m/s、7.6m/s和12m/s。觀察三種轉速下致熱罐產熱情況，并且在產熱不足下配合板式輔助加熱。將四層外壁設置為wall，溫度為373.15K。

3 模擬結果與分析

3.1 壓力場分析

在300rpm轉速下，致熱罐不同層壓力分布結果對比，如圖5所示，可以看出壓力從首層開始逐層上升增大，在葉片前端呈現出壓力峰值，而在葉片背部出現負壓現象，符合常規認知。

對比二層與三層，可以明顯觀測出由于阻尼孔作用從而出現得高壓環狀域，這種現象在第四層中表現更為明顯。壓力的升高除了阻尼孔的作用以外，還有葉片形狀的影響。采用的混合型攪拌器不僅在徑向帶給流體速度，同時也在軸向上給予速度，使得流體沿y軸層層之間速度遞增。在第四層中流體直接沖擊頂部，所以會造成第四層壓力整體增大的趨勢。

轉速在200rpm情況下壓力云圖如圖6。

轉速在100rpm情況下壓力云圖如圖7。

對比三種轉速下致熱罐不同層壓力分布結果，可以看出當轉速高時，在轉子驅動下，軸向壓力要大于徑向壓力。因此在高轉速下阻尼孔所發揮的作用更加明顯。此外不同轉速下，壓力場伴隨層數的升高都呈現出上升的趨勢。

3.2 速度場分析

由圖8可以看出，致熱罐速度分布總體趨勢基本類似，在動區域速度均呈現出較高水平，在軸向上均有速度噴口，徑向動區域與壁面之間存有高能區域。隨著轉速的提高，速度場分布明顯增大，表明提高轉速可以有效增加攪拌液體的運動速度。

在同一轉速下不同層的速度分布區別不大。對比內、外環阻尼孔，內環流速明顯增大，這是由于葉槳相對內環距離更近。而通過阻尼孔的流體速度呈現出明顯的速度減退現象。

3.3 溫度場分析

如圖9所示，在溫度場的分布中，300rpm轉速下沒有添加太陽能板式集熱所帶來的熱量，產生的熱量已經符合產熱標準。而在低轉速100rpm中必須與太陽能耦合才能提供驅動吸收式熱泵系統的熱量。轉速200rpm中產生的熱量在耦合太陽能后溫度同樣有較高水平，相比高轉速仍有不足。

當轉速為300rpm時，出口溫度為376.6K，滿足設計要求;致熱罐中溫度呈現出從下至上逐層遞增的趨勢。

低轉速與太陽能耦合后依然可以滿足驅動吸收式熱泵的需求，而在許多氣象環境中風能與太陽能正是呈現出互補的趨勢，這有利于風光互補聯合驅動吸收式熱泵系統的推廣使用。

4 結束語

通過計算流體力學軟件，首先對攪拌致熱罐模型進行驗證，證明計算模型的正確性;然后建立風光互補攪拌致熱罐幾何模型并進行計算，模擬其內部流場流動特點，分析運行特點。通過對比不同轉速下致熱罐壓力場、速度場、溫度場的不同得出，在轉速300rpm的情況下，僅靠風速就可以實現對熱泵的供能需求;而轉速在200rpm和100rpm的情況下需要進行輔助加熱才可以達到供能需求。

參考文獻：

[1]金浩，胡以懷，虞馳程，等.攪拌液體風力致熱裝置的熱力學分析[J].節能，2016，35（8）：66-69.

[2]吳書遠，趙玉剛.液壓式風力致熱系統的設計[J].新能源，1990（5）：16-19.

[3]寇鵬，李永光.以自然風為動力的直接攪拌致熱試驗[J].上海電力學院學報，2012，28（6）：521-524.

[4] ELKINTON M R， MCGOWAN J G， MANWELL J F. Wind power systems for zero net energy housing in the United States[J]. Renewable Energy， 2009，34（5）：1270-1278.

[5]郭宇.風能攪拌致熱工質產熱性能研究[D].西北農林科技大學，2019.

[6]陳志平，章序文，林興華.攪拌與混合設備設計選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.