新型擴口式布水器大流量小溫差釋能過程的CFD模擬研究

呂雙雙

(北京環渤高科能源技術有限公司,北京)

0 引言

水蓄能技術是利用水的顯熱存儲能量,在特定時間將能量釋放出來,以獲得經濟利益或滿足某種功能的使用[1-3]。當前水蓄能技術主要應用于酒店、工廠、商業中心和辦公大樓等公共建筑的“移峰填谷”,用以節省集中空調運行費用或作為數據中心的應急冷源保證措施。近年來數據中心發展迅猛,數據中心的安全要求也更加嚴格,服務器需要在特定的溫濕度環境下安全運行,所以其制冷系統是全年不間斷供冷,若市電中斷或其他原因導致停電,不間斷電源UPS啟動為IT設備供電,直至柴油發電機啟動供電,但是柴油發電機啟動需要一段時間,而由柴油發電機供電的冷水機組再次啟動則需要更長的時間,在這一段時間數據中心內的溫度將極速上升,極有可能超過服務器的運行溫度,導致宕機[4]。因此,數據中心必須配置應急冷源來提供數據中心機房內的制冷系統重新啟動至正常運行這一段時間所需的冷量[5],即蓄能設備需要提供約10～15 min的冷量。蓄能設備作為水蓄能技術的核心設備,其釋能效率備受關注。衡量釋能效率的重要指標為斜溫層的厚度[6],合理的布水結構可以獲得良好的布水效果,進而降低斜溫層厚度。目前市場上常用的布水器有自然分層型、隔板式和隔膜式等[7],自然分層型布水器因其結構簡單、布水效率高而得到廣泛應用。

數據中心應急供冷的蓄冷罐要提供10～15 min的冷量,所以1 h的流量值一般是其容量值的4～6倍,而常規“移峰填谷”水蓄能項目中的蓄冷罐,其容量設計要求是至少可以承擔3 h的高峰時段負荷,所以1 h流量值是蓄冷罐容量值的1/3或更小。數據中心應急供冷蓄冷罐與常規“移峰填谷”蓄能設備的最大區別在于其容量小,但是相比之下瞬時流量更大,工作溫差更小。

目前,國內外關于自然分層水蓄能設備的研究多為常規“移峰填谷”的應用[8-9],即小流量大溫差的工況。如穆迪等人研究的一種新型布水器,其研究模型是容量為2 m3、尺寸為950 mm×850 mm×2 500 mm的蓄冷水槽,研究工況為流量1 m3/h、工作溫差8 K、工作溫度277～285 K,1 h流量值為模型容量值的1/2[10]。胡國霞等人研究了3種不同類型的布水器對蓄冷過程布水效果的影響,模型為體積1.144 m3、半徑0.45 m、高1.8 m的圓柱槽,流量為0.1 kg/s(0.36 m3/h),1 h流量值為模型容量值的0.3[11]。TANG等人研究了一種新型布水頭,選用的蓄冷槽體積為2.7 m3、流量為2 m3/h,1 h流量值為模型容量值的0.74[12]。劉璇等人研究了蓄冷罐高徑比對分層效果的影響,選用的是5個容量為1 100 m3、高徑比不同的蓄冷罐,蓄冷流量為183 m3/h,工作溫度為4～11 ℃,溫差為7 ℃,1 h流量值為模型容量值的0.166[13]。Nelson等人研究了高徑比、流速、溫差及保溫厚度對斜溫層的影響,選用的模型容量為0.43 m3,流量為0.125、0.180、0.256 m3/h,溫差為10、15 ℃,其中最大1 h流量值為容量值的0.6[14]。唐海宇等人對大型儲熱罐的蓄能進行了模擬和實驗對比研究,研究模型為容量26 000 m3的蓄熱罐,工作溫差為44.14 ℃,蓄熱流量為2 415.94 m3/h,1 h流量值為模型容量值的0.093[15]。

綜上所述,前人研究主要聚焦于小流量大溫差的蓄能工況,而流量和溫差對蓄冷罐的布水效果影響非常大,相同的布水結構,在大流量小溫差工況下可能會有極差的布水效果[16-17]。若要在大流量小溫差工況下獲得優良的布水效果,需要更為合理的布水器結構設計[18]。為此,本文以應用于數據中心應急供冷的蓄冷罐作為研究對象,該蓄冷罐采用新型擴口式布水器設計[19],為數據中心提供15 min的冷量,蓄冷罐的1 h流量值為蓄冷罐容量值的4倍,工作溫差為6 K。本研究通過在大流量小溫差工況下對蓄冷罐的釋能過程進行數值模擬,并將數值模擬結果與理想模型及實際項目的監測數據進行對比,驗證新型擴口式布水器的工作性能,進而為應用在大流量小溫差工況下的蓄冷罐布水器設計提供理論參考和數據支持。

1 評價指標

1.1 斜溫層量綱一厚度

為了便于比較斜溫層的厚度,引入了量綱一溫度T*:

(1)

式中T為溫度,K;Tc為初始溫度,K;Ti為進口溫度,K。

在斜溫層區域內,T*在0～1之間變化。由于斜溫層上下溫度變化不大,在計算斜溫層厚度時一般忽略15%的溫度變化,即斜溫層的有效范圍是斜溫層量綱一溫度T*=0.15～0.85的變化范圍,該斜溫層厚度范圍包含了蓄冷罐內70%的溫度變化。

量綱一高度h*:

(2)

式中h為罐體某點的具體高度,m;H為罐體的總高度,m。

(3)

1.2 釋能效率

釋能效率η即瞬態能量釋放效率,定義為離開蓄能罐的水流量所輸送的累積能量與蓄能罐存儲的初始能量之比[20],計算式如下:

(4)

式中t為釋能時長,s;m為單元體內水的質量流量,kg/s;cp為比定壓熱容, kJ/(kg·K);To為出口溫度,K;M為蓄冷罐中水的總質量,kg;Tic為釋冷時入口水溫平均值,K;Tid為充冷時入口水溫平均值,K。

2 數值模擬條件

2.1 模型構建

本文采用Fluent軟件對應用新型擴口式布水器的蓄冷罐進行釋能過程數值模擬,得到相應的溫度場和溫度變化曲線,并與理想模型的溫度場和溫度變化曲線進行比較分析,以驗證新型布水器的布水效果是否滿足使用要求。

實際模型的整體結構如圖1a所示。實際模型的布水結構采用相關專利[19]提出的擴口式布水盤和均流布水板構成的組合式布水器,擴口式布水盤安裝如圖1b所示,由2塊布水盤、引水管和8塊導流加固板構成。擴口式布水器安裝在引水管的端頭。實際應用中,布水盤的頂部采用拉桿與蓄冷罐的頂部焊接固定,以保證布水器的穩定。理想模型則是將整個蓄冷罐的頂部作為入口,整個底面作為出口,忽略布水器結構對布水的影響。蓄冷罐的詳細設計參數如表1所示。

圖1 實際蓄冷罐結構模型

表1 蓄冷罐的設計參數

由于三維網格數量過多,計算速度較慢,而蓄冷罐的三維模型為對稱模型,故本文選擇1/8的圓柱體作為計算域,圖2為實際模型的計算域,圖3為理想模型的計算域。

圖2 實際模型計算域

圖3 理想模型計算域

本文模型建立采用Gambit制圖軟件,實際模型入口略有簡化,省去引水管的建模,將擴口直接作為入口,以高度中點為中心建模。經網格無關性驗證,實際模型采用Tgrid非結構網格,網格數量為1 286 355個,理想模型采用Hexahedral結構性網格,網格數量約為1 305 280個。

2.2 邊界條件

蓄冷罐的容量為100 m3,數據中心應急供冷時長為15 min,即1/4 h,則蓄冷罐的流量為400 m3/h,1/8蓄冷罐實際模型中入口尺寸為207 mm×300 mm,面積為0.062 1 m2,則蓄冷罐的入口流速為0.224 00 m/s。理想模型以整個上截面作為入口,則蓄冷罐的入口流速為0.008 85 m/s。模擬過程采用三維、非穩態、不可壓縮模型,壁面視為絕熱壁面。蓄冷罐的其他邊界條件和相關參數設置如表2所示,其中水的密度隨溫度變化視為線性變化,水的密度隨溫度的變化值如表3所示。

表2 蓄冷罐釋能過程模擬邊界條件設置

表3 水的密度隨溫度的變化值 kg/m3

3 模擬結果分析

3.1 溫度場對比分析

圖4顯示了實際模型釋能過程2～12 min時間范圍內每間隔2 min的溫度場變化,圖5顯示了對應的理想模型釋能過程的溫度場變化。圖5為理想情況,釋能過程各時間節點溫度場中斜溫層始終呈水平狀,冷熱水分層明顯,隨著釋能過程的進行,斜溫層逐漸加厚。圖4為實際模型釋能情況,釋能初期(前2 min內),溫度場的斷面顯示斜溫層呈梯形,靠近蓄冷罐中心溫度高,罐壁周邊溫度低,這是因為釋能初期,蓄冷罐內充滿冷水,布水盤的入口處于罐體的中心,高溫水從布水盤即蓄冷罐中心流入罐內,再從罐體中心沖向罐體邊緣部分,高溫水在流動過程中伴隨著熱量交換,所以初期罐體中心溫度高,邊緣溫度低;但是隨著釋能過程的進行,斜溫層越來越平穩,在釋能4 min時,斜溫層已經基本達到了水平狀態,冷熱水分層非常明顯;距離入口越遠,斜溫層受布水結構的影響就越小,所以在4 min以后的斜溫層已呈穩定狀態。對比圖4和圖5,實際模型要比理想模型的斜溫層略厚,這是因為布水器的存在引起的,但是相比之下,實際模型的布水已達到了比較理想的效果。

圖5 理想模型釋能過程溫度場

3.2 斜溫層厚度分析

圖6顯示了實際模型和理想模型釋能過程蓄冷罐內的溫度變化曲線。根據式(3),斜溫層的厚度為溫度從290.1 K變化至285.9 K的罐體高度差。對比圖6中2 min時實際模型與理想模型的溫度變化,實際模型除了在3～4 m范圍內溫度變化較為劇烈,與理想模型曲線有所偏離外,其他位置曲線與理想模型貼合度極高。這是因為在蓄冷罐的入口處即3～4 m范圍內,水流速度較快,溫度變化劇烈,冷熱水有所混摻,所以溫度曲線變化較大。對比圖6中4 min時實際模型與理想模型的溫度變化,實際模型在2～3 m范圍內溫度變化較為劇烈,與理想模型曲線存在偏差。這是因為2～3 m范圍內,水流剛經過均流布水板的整流,溫度變化較大。在釋能4 min以后,溫度場逐漸趨于穩定,實際模型與理想模型的溫度變化曲線基本吻合。

圖6 釋能過程溫度變化曲線

根據圖6的溫度曲線,并結合圖4、5的溫度場,按照式(3)計算出的斜溫層量綱一厚度見表4。由表4可知:理想模型和實際模型釋能過程的斜溫層都是隨著時間而逐漸增厚的;實際模型的初始斜溫層量綱一厚度約為0.050 0,比理想模型(0.037 5)略厚一些;但是隨著釋能過程的進行,二者斜溫層厚度逐漸相等,趨于0.075 0。這是因為實際模型初始受布水結構的影響,斜溫層受到擾動,隨著釋能過程的進行,斜溫層向下移動,遠離進水口,受布水器的影響逐漸減小,斜溫層的變化趨向于理想狀態。

表4 模擬過程斜溫層厚度計算結果

在某數據中心的實際項目中,配置1臺容量392.5 m3、直徑5 m、液位高度20 m的蓄冷罐,采用本文研究的新型擴口式布水器設計,罐體上安裝有41個溫度傳感器,間距為0.5 m。工作溫度為12.0～19.4 ℃,釋能過程的監測數據如圖7所示。

圖7 某數據中心項目釋能過程的監測數據

實際項目斜溫層厚度Dhe:

Dhe=nDs

(5)

式中n為斜溫層區間(T*=0.15～0.85)內溫度傳感器的數量,按照線性取值;Ds為溫度傳感器間距,m。

根據圖7的溫度曲線計算出的斜溫層厚度與斜溫層量綱一厚度見表5。圖8顯示了理想模型、實際模型及實際項目斜溫層量綱一厚度的計算結果對比,偏差曲線為實際模型仿真結果與實際項目監控數據之間的偏差。

表5 根據監測數據計算的斜溫層厚度

圖8 理想模型、實際模型及實際項目斜溫層量綱一厚度的計算結果對比

實際模型的最大斜溫層量綱一厚度為0.075 0,而實際項目為0.080 0,實際模型與實際項目的最大偏差為6.25%。造成偏差的原因如下:

1) 實際項目末端回水的溫度上下波動,不穩定,影響罐內熱量傳遞過程,造成實際項目監測數據與數值模擬結果出現偏差;

2) 實際項目中受所采用的溫度傳感器精度和靈敏度的影響,即溫度傳感器在水流波動時,數值會變化,所以讀取的數值不穩定,進而造成實際結果與數值模擬結果出現偏差;

3) 計算過程中存在數據估值讀取,也會造成計算的誤差。

雖然實際模型的斜溫層量綱一厚度與實際項目監測數據存在一定的偏差,但是偏差在可接受范圍內,說明了數值模擬結果的可靠性,證明了實際項目在釋能過程中采用新型擴口式布水器可以保證冷熱水有明顯的分層,且斜溫層的厚度也保持在理想狀態。

3.3 釋能效率分析

圖9顯示了實際模型、理想模型及實際項目的能量釋放效率和出口量綱一溫度隨時間的變化。從圖9可以看出,釋能效率與時間幾乎呈線性關系變化,實際模型的釋能效率與理想模型基本重合。若以時長t=15 min作為判斷釋能結束的指標,理想模型釋能效率為97.60%,實際模型為96.65%,實際項目為93.56%。實際模型與理想模型釋能效率的偏差為0.973%,與實際項目的偏差為3.300%。

圖9 能量釋放效率和出口量綱一溫度的變化

考慮到在釋能即將結束時,出口水溫已基本達不到使用要求,若以T*=0.15作為判斷釋能結束的指標,則理想模型釋能效率為93.87%,實際模型為92.02%,實際項目為87.38%。實際模型與理想模型釋能效率的偏差為1.970%,與實際項目的偏差為5.300%。

綜上,無論是采用釋能時間還是釋能溫度作為釋能結束的判斷指標,模擬結果與實際項目監測結果的偏差都在5.3%以內,說明數值模擬結果的可靠性。在滿足數據中心高品位冷量的要求下,實際項目蓄冷罐有87.38%的釋能效率,完全滿足使用需求(一般數據中心要求釋能結束時蓄冷罐的釋能效率為85.00%)。而實際模型與理想模型的偏差在2%以內,說明此新型擴口式布水器的結構設計是合理的,在理論上幾乎可以達到理想的布水效果,為了進一步提高新型擴口式布水器應用的實際效果,可以從制造和安裝要求上進行優化。

4 結論

本文在大流量小溫差工況下,對采用新型擴口式布水器的蓄冷罐的釋能過程進行了數值模擬,得到了釋能過程的溫度場和溫度變化曲線,計算了斜溫層量綱一厚度和釋能效率。通過將實際模型數值模擬結果與理想模型數值模擬結果及實際項目監測數據進行對比分析,得到以下結論:

1) 采用新型擴口式布水器的實際模型與理想模型在釋能前4 min內,由于實際模型中斜溫層存在初始擾動,二者溫度曲線略有偏差;在釋能4 min后,蓄冷罐內斜溫層趨于穩定,冷熱水分層明顯,二者的溫度變化曲線吻合良好,實際模型基本達到理想布水效果。

2) 采用新型擴口式布水器的實際模型和理想模型的斜溫層最大量綱一厚度為0.075 0,實際項目中的斜溫層最大量綱一厚度為0.080 0,偏差為6.25%。實際項目的運行環境、測量精度和靈敏度及計算誤差是導致該偏差的主要原因。

3) 以釋能時間15 min或量綱一溫度0.15作為釋能結束的判斷指標時,數值模擬與實際項目釋能效率的偏差在5.3%以內,說明數值模擬結果具有實際應用價值。實際模型與理想模型釋能效率的偏差在2%以內,說明此新型擴口式布水器的結構設計是合理的,在理論上幾乎可以達到理想的布水效果,為了進一步提高新型擴口式布水器應用的實際效果,可以從制造和安裝要求上進行優化。

綜上,通過數值模擬和對比分析,本文驗證了新型擴口式布水器設計的合理性。在數據中心應急供冷的大流量小溫差工況下,采用該新型擴口式布水器的蓄冷罐可確保優良的布水效果和較高的釋能效率。