自然分層型蓄冷罐中布水頭形狀對斜溫層的影響：CFD研究

冀思哲

摘 要：自然分層型水蓄冷中布水器，如何均勻出水一直是斜溫層能否快速穩(wěn)定形成的關(guān)鍵。為此，一些企業(yè)發(fā)明了360°防擾動隔板式布水頭作為最后一道防擾動措施，但是對于隔板數(shù)及底板形狀還沒有一定研究，什么樣的布水頭最優(yōu)值得探討。文章就單個布水頭的方形和圓形底板及六道隔板和八道隔板在fluent里分別進(jìn)行數(shù)值模型并做比較，得出方形底板，隔板數(shù)為8時與理想情況最為接近。

關(guān)鍵詞：水蓄冷；數(shù)值計(jì)算；布水頭；形狀

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0060-02

Abstract： How to distribute water evenly is the key to the rapid and stable formation of inclined temperature layer. For this reason， some enterprises have invented 360°anti-disturbance baffle head as the last anti-disturbance measure， but the number of partition plates and the shape of bottom plate have not been studied， and what kind of water distributor is optimal is worth discussing. In this paper， the numerical models of square and circular bottom plates with single water distributor and six and eight partitions in fluent are compared， and the square bottom plate is obtained. The partition number of 8：00 is the closest to the ideal condition.

Keywords： water storage； numerical calculation； water distributor； shape

1 概述

自然分層型水蓄冷技術(shù)在近十年發(fā)展迅速，自然分層型顧名思義就是利用水在不同溫度下密度不同而實(shí)現(xiàn)自然分層。進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)學(xué)者對自然分層型水蓄冷裝置進(jìn)行了數(shù)值模型及實(shí)驗(yàn)的研究，主要集中在不同形狀蓄冷槽[1]、高徑比[2]、布水器流速、蓄冷溫差[3]包括保溫措施對斜溫層的影響。但由于國內(nèi)工程實(shí)踐比理論研究起步早，一些企業(yè)也在不斷的探索與創(chuàng)新：某企業(yè)在圓柱形水蓄冷罐中不再使用傳統(tǒng)的圓形或八角形布水器，取而代之的是采用H型管路布置方式，每一個出水管路末端采用防擾動布水頭，并在底部加裝均勻出水的孔板裝置。本文著重研究防擾動的最后一道工序即防擾動隔板式布水頭單個作用在長方形域時的出水情況，并對不同底板形狀及隔板數(shù)的布水頭進(jìn)行了比較，為一些企業(yè)提供參考。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 模型基本尺寸

由于研究的是單個布水頭時，斜溫層形成的過程，故計(jì)算域設(shè)置不宜過大，計(jì)算域設(shè)置為0.2m*0.2m*1m的長方體。為對比后期布水頭形狀最優(yōu)，設(shè)置理想模型：該計(jì)算域中，底面正方形為均勻的質(zhì)量入口：0.00176kg/s，頂面正方形為壓力出口，四周面設(shè)置為對稱面。而后建立三種布水頭模型：首先建立圓形底板，隔板數(shù)為6的布水頭，出水管徑15mm，出口質(zhì)量流量為0.00176kg/s，如圖1（a）所示；然后同理建立圓形底板，隔板數(shù)為8的模型，如圖1（b）所示；建立方形底板，隔板數(shù)為8的模型，如圖1（c）所示，其他設(shè)置同理想模型。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

該蓄水裝置內(nèi)，供水溫度約為279K，初始水溫約為285K，即蓄冷溫差6K；壁面與外界無熱量交換設(shè)為絕熱邊界條件。水的物性參數(shù)采用階梯函數(shù)，壓力-速度耦合采用SIMPLEC的算法計(jì)算，壓力插值采用Body Force Weighted格式，動量方程、能量方程離散均采用First Order Upwind，時間步長取2min。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)計(jì)算，整個充冷過程大約需要6.3h，本文重點(diǎn)研究在同一條件下，三種模型中，哪種模型形成斜溫層最快最優(yōu)，故省略后續(xù)幾個小時的充冷過程及釋冷過程。

3.1 三種模型斜溫層的形成

由圖2可以看出，充冷前幾個小時，由于入口處混合強(qiáng)度高，還未形成穩(wěn)定的斜溫層，直至充冷2h后，有明顯的穩(wěn)定的斜溫層形成，由兩個拐點(diǎn)附近的曲率可以看出混合強(qiáng)度從入口到出口呈由強(qiáng)到弱的趨勢。

3.2 三種模型斜溫層的比較

圖3截取了（0.1，-0.03，0）、（-0.1，0.03，0）、（0.1，-0.03，1）平面的溫度分布情況，從左到右依次為理想模型、圓形底板隔板數(shù)6、圓形底板隔板數(shù)8、方形底板隔板數(shù)8的，由于斜溫層分布有一定規(guī)律，任取同一位置的即可比較，這里取中心線位置可以得出圖3最后一張比較圖。如圖所示，隔板數(shù)為8時，圓形底板和方形底板基本一致，方形底板微微接近于理想模型，這是受到了計(jì)算域的影響，方形板底出流方向更能消除方形死角區(qū)域，但是出流速度很小，相差并不明顯。

同為圓形底板，6個隔板數(shù)的形成斜溫層的速度明顯慢于8個隔板數(shù)的。由圖2（a）（b）及圖3對比可知這是因?yàn)樵谄鸪醯膸讉€小時里，6個隔板相對8個隔板沒有很好的分流，混合強(qiáng)度較強(qiáng)，形成斜溫層較慢，約慢半個小時。由此得出隔板數(shù)為8的布水頭布水效果最好。

4 結(jié)束語

本文對常見的布水頭進(jìn)行了數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：

（1）在斜溫層的形成過程中，入口處混合強(qiáng)度最大，混合強(qiáng)度大小決定了形成穩(wěn)定的斜溫層時間，且混合強(qiáng)度從入口到出口呈由強(qiáng)到弱的趨勢。

（2）當(dāng)?shù)装逍螤钕嗤瑫r，隔板數(shù)為8的布水頭先于隔板數(shù)為6的布水頭形成穩(wěn)定的斜溫層，這是由于入口混合強(qiáng)度不同。在本例中，隔板數(shù)為8的布水頭在充冷過程2小時后形成穩(wěn)定的斜溫層；隔板數(shù)為6的布水頭在充冷過程2.5小時后形成穩(wěn)定的斜溫層。

（3）當(dāng)隔板數(shù)一致時，底板形狀對斜溫層形成的影響甚微，在本例中，受計(jì)算域形狀的影響，方形底板最優(yōu)。

受計(jì)算硬件影響，本文只是研究了單個布水頭，后可以研究多個布水頭在一定出水流速下相互作用對斜溫層的影響，最大還原現(xiàn)實(shí)罐體的內(nèi)部溫度分布。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮旭東.蓄水槽的形狀因素對自然分層水蓄冷影響的模擬分析[J].節(jié)能，2010（11）：37-40.

[2]劉璇，郝學(xué)軍.基于CFD模擬蓄冷水罐分層效果的影響因素分析[J].區(qū)域供熱，2016（2）：11-14，37.

[3]于航.應(yīng)用于機(jī)場建筑的大型水蓄冷罐仿真研究[J].上?？崭?，2006（2）：96-99.