不同进水口设计的冷热混合器计算机仿真

【摘 要】本文阐述了对冷热混合装置进行计算机流场仿真的必要性。为确定最优方案，设计了两种法向和切向入口的两种混合器流场模型。数值计算中，湍流模型确定为RNC（renormalization group） k-ε双方程模型，采取非结构化网格划分流域，并采用标准壁面函数定义边壁。最后，仿真出了两种方案的温度和压力分布规律，为后续不同性能要求下的，产品类型选择，提供了参考依据。

【关键词】冷热混合器；流场模型；计算机仿真

冷热混合装置，是一种提供温水的机械装置。其作用机理为：在装置中设计两个入水口，当设备运行时，一边供应冷水，而另一边则由一定温度的热水进入装置内部。冷、热水在装置内部完成循环和热量交流。待稳定后，水温已调整至合理的温度，从下方的出水口流出，以供人舒适地使用。由于设备的内部，是两种不同温度水流的速度、压力、能量交汇状态，故装置设计的关键，在于如何保证水流状态的良好性。实际上，冷热装置中的水流运动状态，往往非常复杂，规律性并不强，所以难以进行准确的预测和描述。故如何在设计中能把握其状态，是值得钻研的问题。随着计算机硬件的发展，仿真技术已经日趋成熟。通过模拟设备中的水流状态，可以比较准确地把握其内部的运动情况。因此，本文建立了法向与切向两种入水端的流场三维模型，并采用RNG k-ε湍流模型进行流场数值计算，以便计算两种方案下的水流运行规律，并通过比较选择最佳设计方案，为该产品后续投入生产，提供理论依据。

1 流场三维模型的建立

要完成混合器的内部流场模拟，第一步就是需要建立流场三维模型。在实际中，由于其结构较为复杂，如果建立精确的模型，往往会导致一些小区域（如螺栓孔附近）无法生成适合的网格，继而影响计算。为提高仿真的效率，本文采用简化的物理模型，进行计算机仿真。简化后的冷热水混合装置模型，其主要的部件包括：供冷、热水流入的管段，装置本体，装置下端的过渡段以及出水口，法向和切向两种流场模型，如图1～2所示。

2 冷热水装置内部流场数值计算

2.1 基本条件的设置

在数值计算中，条件的设置，关系到仿真结果的精度。因此，条件设置环节，务必反复论证，尽可能选择区域合理的状态。该过程中，基本条件的选择主要有：（1）湍流模型。在该条件的确定上，由于文献[1]研究中，RNG k-ε湍流模型取得了良好的计算精度，故本文也采用该模型；（2）流场网格的类型确定。拟采用六面体非结构化网格；（3）近壁区域的处理，选择工程中应用最广的标准壁面函数；（4）迎风格式。数值计算中的迎风格式确定为二阶迎风式。

2.2 边界条件的设定

边界条件，是根据实际中，水流进入装置和流出装置的情况，进行一个模拟设定。若设置的情况与实际运行状态越接近，则仿真精度越高。在仿真的前处理过程中，两种方案均采用相同的条件设置：即进水截面，定义为流量进口条件；出水截面，则设置为压力出口条件，未定义部分，均默认为固体壁面。

3 仿真结果分析

计算结果的后处理，是将网格划分的有限离散节点，近似转换成变量的合集，利用差分方程，构建这些离散点参数之间的代数表达式。最后，完成该非线性代数方程组的近似求解，并以云图显示出来，并以此作为结论进行分析。由于测试数据较多，本文仅选择压力和温度进行说明。

3.1 计算结果的后处理

为观察方便，拟确定X-Z平面为基准，进行观察。方案1和方案2的温度分布情况，如图3、图4所示。

压力分布的基准面选取，与温度相同。二者的压力分布，如图5、图6所示。

3.2 两种方案的计算结果分析

（1）如图3、图4所示，当水流从入口截面至出截面，两种方案的温度变化规律均逐渐向中心平衡，即在容器本体内部，冷水端向中间逐渐升温，而热水端向中心逐渐降温，早靠近中心区域，均实现热平衡，即出水温度约为40度，满足使用要求。二者的不同之处在于，方案1的固体边壁，温差较小，热量损失小；而后者的温差很大，故热量损失较多。

（2）如图5、图6所示，两种方案下，压力分布的状态偏差很大。在进水管段，法向流入的混合装置始终保持较高的压力，且压差很小；然而，切向流入的设计方案，压力沿中心基本对称，且向中心区域附近逐渐下降，可以认为，该方案下，压力受温度的影响不大。在容器内部，方案1的下端，压力有上升趋势；而方案2的下端，压力逐渐下降到负值，该指标会影响到装置的使用寿命。

综上所述，两种设计方案并无确切的优劣之分。若将温度和使用寿命指标作为关键性能参数，则可以选择方案1；而对水压的舒适度要求较高的话，可以考虑压力较小的方案2。

4 结论

为设计出流态分布良好的冷热水混合装置，构建了法向和切向流入的混合装置内部流场三维模型，并在稳定运行状态下，对其展开CFD分析，计算出了容器内部的水流温度和压强分布规律，从计算结果可知，不同的需求可以选择对应的设计方案。然而，也应该看到，影响流场规律的外在条件很多，单一的分析并不能获得全部的分布条件，故未来的研究，需要进一步完善。

【参考文献】

[1]王旭，李萍.不同湍流模型下水轮机蜗壳CFD仿真精度的分析[J].中国农村水利水电，2015（6）：158-161.

[2]Dahlstrom S.Large Eddy Simlulation of the Flow Around a High-Lift Airfoil [J].Doktorsavhandlingar Vid Chalmers Tekniska Hogskola，2003，（1963）：1-50.

[3]王旭，李萍，陈荣盛，等.水轮机椭圆蜗壳设计的CFD计算及试验分析[J].人民黄河，2016，38（1）：109-111.

[4]Liying Wang， Dehua Wei. The Optimum Structural Design for Spiral Case in Hydraulic Turbine[J]. Procedia Engineering， 2011，15（8）：4874-4879.

[责任编辑：汤静]

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