布水器性能模拟研究

布水器性能模拟研究

赵昕波矫东柯吴考阳鲜沐希

赵昕波矫东柯吴考阳鲜沐希

河北建筑工程学院河北张家口075000

摘要：采用CFD商业模拟软件FLUENT，对使用优化后布水器的蓄热水箱内部的流动传热特性进行三维瞬态数值模拟，在保证水箱总体和外形以及布水器结构不变的前提下，研究该种布水器的性能及使用效果。模拟结果表明，无论是距离布水器入口你的近端还是远端等温线都较为平滑，说明布水器的出水的均匀度较高。

关键词：布水器，蓄热水箱，数值模拟

一、物理模型

蓄热水箱的尺寸为12m*12m*6m，入口流量为200t/h，布水器进水管进入水箱分两根管布置布水器，管径DN200。横管焊接在箱体上两边。多孔散流管长5400mm，每边29根管，管间距400mm，管径DN80。散流孔每根散流管上单侧布27个，间距200mm.孔径20mm。布水器结构如图一所示：

由于该蓄热水箱布水器分为两个，且完全一样，我们只取其中的一个作为研究对象。模拟所用物理模型为水平放置，水箱内的水在开始时刻处于静止状态，并且具有均匀一致的温度。水箱上下各有一个均匀对称的布水器。

本文采用CFD方法，对使用该种布水器的蓄热水箱内部的流动传热特性进行三维瞬态数值模拟，在保证水箱总体和外形以及布水器结构不变的前提下，通过改变入口流速对水温度场的模拟分析，研究该种布水器的性能及使用效果[1]。

二、模型的简化和假设

为了更方便的研究布水器对水箱内部温度场的影响，现做出以下几个基本假设：

（1）瞬态水箱无内热源，水可以看做不可压缩流体。

（2）水的物性是随温度变化的函数。

（3）水箱内壁是光滑且忽略水箱内壁向外部环境的能量损失，即水箱内壁绝热。

（4）从供水管管到布水器进口假设无传热，供水温度与布水器温度相等，即布水器管壁绝热[2]。

三、模型的网格划分

对于物理模型，用Gambit进行网格划分，在网格划分时，应对布水器周围区域内的网格进行加密处理，而在水箱中间部分可以适当的放大网格[3]。在水箱的上部和底部布水器周围采用混合网格，水箱中间区域采用楔形网格，网格划分如图二

四、计算域和计算条件

本文所研究对象的计算域是蓄热水箱内充满的全部流体域，主要包括一个入口、一个出口和上下对称的两个布水器及蓄热水箱内部，不包含水箱壁面和散流器的壁面，且统一看成了绝热壁面[4]。

本文主要研究水箱在释放热量过程中的半循环过程，初始阶段水箱内部充满358k的热水，温度为348k的冷水从水箱下部的入口流入，经过底部布水器的小孔，将水箱的放热看成理想状态，水箱的进口流速为定值，且设定为速度进口（velocity-inlet），入口温度为T=348k恒定，流体出为自由流动（outflow=1），水箱中的出事温度均匀，设定为358k。

五、结论

从蓄热水箱整个放热过程中取无量纲时间0.2，0.4，0.6时刻的温度模拟云图，这3组温度云图可简单的组成蓄热水箱放热有由开始到结束的过程，可以清楚的看到蓄热水箱内斜温层的分布情况[5]。

从图看出，在无量纲时间0.2时刻，蓄热水箱已经出现了明显的斜温层，但是斜温层还没有达到稳定的稳定状态，布水器的出流对斜温层还有较大的扰动，随着时间的推行，在无量纲时间0.6时刻，蓄热水箱中的斜温层已经稳定，只受冷热水之间导热的影响。在蓄热水箱放热的初始阶段，低温水从蓄热水箱入口流入布水器，然后从布水器散流管的小孔流出，流入到蓄热水箱内部，由于冷热水之间的掺混和导热形成了斜温层。通过蓄热水箱温度云图发现，无论是距离布水器入口你的近端还是远端等温线都较为平滑，说明布水器的出水的均匀度较高。随着放热时间的增大，可以看到蓄热水箱的斜温层由于冷热水之间的导热，厚度在不断增大，水平方向的云图等温线也逐渐平衡。

参考文献：

[1]张素芬唐超权陈振乾.自然分层型水蓄冷槽布水器速度场的模拟[J].重庆大学报.2011，34：13-16

[2]杨征，陈海生，王亮，等.竖直圆柱形水箱保温过程热分层现象与机理研究[J].中国电机工程学报.2015（06）：1420-1428.

[3]HanYM，WangRZ，DaiYJ.Thermalstratificationwithinthewatertank[J].RenewableandSustainableEnergyReviews.2009，13（5）：1014-1026

[4]高月芬，魏兵.热水温度分层型蓄热槽设计[J].暖通空调.2004（01）：39-42.

[5]于浩.温度分层储能水箱散流器设计及分层特性分析D].2017.

基金项目：河北省教育厅在读研究生创新能力培养资助项目（CXZZSS2018130）；

河北建筑工程学院研究生创新基金项目（XA－201804）