基于FLUENT的冷、熱水混合器內三維流場數(shù)值模擬

基于FLUENT的冷、熱水混合器內三維流場數(shù)值模擬張闖1120100662【摘要】本文介紹了FLUENT軟件的主要特點及其在冷熱水混合器內的應用情況。通過運用FLUENT軟件的標準k七湍流模型對兩種結構的冷、熱水混合器模型進行三維數(shù)值模擬計算，分析其內部流場變化情況，通過模擬計算并對比兩種模型的流場變化，能真實反映混合器內部的復雜流動，為混合器的設計和改進提供理論依據(jù)。【關鍵詞】FLUENT冷、熱水混合器標準k七湍流模型引言工程熱水恒溫混合器，是為適應中央熱水工程向大型化、自動化和人性化發(fā)展的技術要求而研發(fā)的，是為太陽能熱水工程和各種生活熱水供水系統(tǒng)專門配套的一種全自動洗浴水恒溫控制設備。廣泛適用于賓館、飯店、學校、醫(yī)院、廠礦、機關及洗浴中心、游泳池等大中小型生活熱水系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)熱水系統(tǒng)的用水量實際需要選擇型號，并由用戶自行調節(jié)設定洗浴水出水溫度，高精度的實現(xiàn)洗浴水溫度的自動控制。恒溫混合器的工作原理：當熱媒水與冷水同時在等壓比下進入本機混合器進行冷熱水混合，冷熱混合后的應用水進入緩沖室。緩沖室的水溫傳感器將水溫信號傳輸給溫控裝置，當緩沖室的水溫比設定要求高（或低）時，溫控裝置對來自熱水箱的熱水和自來水（或冷水箱冷水）進行比例式控制，將熱媒水和冷水控制在適度流量狀態(tài)，從而使輸出水溫達到設定要求，使系統(tǒng)用水保持在恒溫狀態(tài)。一、Fluent軟件介紹FLUENT是美國FLUENT公司開發(fā)的集流場、燃燒和熱、質量傳輸以及化學反應于一體的商業(yè)CFD軟件，也是目前國內外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一。自其上市以來,在全球眾多的CFD軟件開發(fā)研究廠商中，F(xiàn)LUENT軟件占有最大的市場份額。獨特的優(yōu)點使FLUENT在水利船舶、材料加工、燃料電池、航空航天、旋轉機械、噪聲污染、核能與動力等方面均有廣泛應用。FLUENT軟件的最大特點是具有專門幾何模型制作軟件Gambit模塊，并可以與CAD連接使用,同時備有很多附加條件和附加方程添加接口，使用了目前較先進的離散技術和計算精度控制技術,如多層網(wǎng)格法、快速收斂準則以及光滑殘差法等,數(shù)學模型的離散化和軟件計算方法處理較為得當。實際應用中發(fā)現(xiàn),該軟件在模擬單相流動或進出口同向或反向流動時，可以得到較好的模擬計算結果,且具有一定的計算精度。FLUENT軟件包主要具有常用的6種湍流數(shù)學模型、輻射數(shù)學模型、化學物質反應和傳遞流動模型污染物質形成模型、相變模型、離散相模型、多相模型、流團移動模型、多孔介質、多孔泵模型等。FLUENT軟件的核心部分是納維—斯托克斯（Navier-Stokes）方程組的求解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動的計算方法,包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO三種算法，采用有限體積法離散方程,其計算精度和穩(wěn)定性都要優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。而對可壓縮流動采用耦合法,即將連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程聯(lián)立求解。FLUENT軟件主要由前處理、求解器以及后處理3大模塊組成。采用自行研發(fā)的GAMBIT前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格,然后由FLUENT進行求解。二、k-￡模型的原理和應用本文主要分析冷水和熱水分別自混合器的兩側沿水平方向流入（一種方案是冷熱水都從水平切線方向流入，一種是熱水從水平徑向方向流入，冷水從切線方向流入），在容器內混合后經(jīng)過下部漸縮管道流入等徑的出流管，最后流入大氣，該問題是三維的流動問題k-E模型的原理；k七模型是兩方程湍流模型中最具代表性的，同時也是工程中應用最為普遍的模式。湍流被稱為經(jīng)典力學的最后難題，原因

在于湍流場通常是一個復雜的非定常、非線性動力學系統(tǒng)，流場中充滿著各種大小不同的渦結構。整個湍流場的特性都取決于這些渦結構的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡，同時這些渦結構之間又不斷發(fā)生著復雜的相互作用，這就使得對湍流現(xiàn)象的理解、描述和控制變得十分困難。對于單相流動，科學界已經(jīng)有較為成熟的湍流封閉模型。k七模型包括RNGk七模型和標準k七模型等，下面簡要介紹一下標準k七模型。標準k-8模型=1.3，6=1.0，雙方程模型把紊流粘性與紊動能和耗散率k￡相聯(lián)系，建立起它們與渦粘性的關系，這種模型在工程上被廣泛采納。￡-k雙方程模型是由英國帝國學院Spalding教授領導的研究小組于在于湍流場通常是一個復雜的非定常、非線性動力學系統(tǒng)，流場中充滿著各種大小不同的渦結構。整個湍流場的特性都取決于這些渦結構的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡，同時這些渦結構之間又不斷發(fā)生著復雜的相互作用，這就使得對湍流現(xiàn)象的理解、描述和控制變得十分困難。對于單相流動，科學界已經(jīng)有較為成熟的湍流封閉模型。k七模型包括RNGk七模型和標準k七模型等，下面簡要介紹一下標準k七模型。標準k-8模型=1.3，6=1.0，雙方程模型把紊流粘性與紊動能和耗散率k￡相聯(lián)系，建立起它們與渦粘性的關系，這種模型在工程上被廣泛采納?！?k雙方程模型是由英國帝國學院Spalding教授領導的研究小組于1974年提出的，后來被應用界廣泛采納。k-￡模型假設湍流粘性和湍動能及耗散率有關，標準的k-￡方程形式為幾何建模計算網(wǎng)格生成是計算流體力學和其他數(shù)值模擬技術的一個重要組成部分，是促進CFD工程使用化的一個重要因素。網(wǎng)格生成過程就是把一個給定的區(qū)域（或幾何體）分解成有限單元，以便使偏微分方程有較好的數(shù)值解。網(wǎng)格生成是連接幾何模型和數(shù)值算法的紐帶，幾何模型只有被劃分成一定標準的網(wǎng)格時才能對其進行數(shù)值求解，網(wǎng)格劃分越細，得到的結果就越精確，但耗時就越多。由此可以看出，網(wǎng)格生成是進行數(shù)值計算的第一步，有著極其重要的地位。+二p-￡本文研究了不同結構混合器，以進水口位置不同時的模型為例來進行模擬仿真。其進、出口管徑分都為2cm，混合器直徑為20cm,高度為8cm。利用GAMBIT建立混合器的幾何模型，利用TGrid程序對整體進行網(wǎng)格劃分（采用四面體網(wǎng)格）。劃分好網(wǎng)格后，檢查網(wǎng)格的劃分情況。圖1是以進、出水口從水平切線方向流入為例來說明網(wǎng)格劃分，圖2是另一種進水口布置時的網(wǎng)格劃分狀況。A觀工[(p+6)4]U=Cl人P'Mp￡)適+g2Pmk圖1圖2圖1、2網(wǎng)格劃分示意圖設置邊界條件入口邊界：混合器入口速度可以認為是均勻分布的，分析的流體是穩(wěn)態(tài)不可壓縮的水。冷水入口速度大小lm/s，溫度280k，熱水入口速度大小1m/s,溫度320k,冷熱水入水口的湍動能K和湍能耗散系數(shù)￡分別按5%的湍流強度和2cm水力直徑計算確定。出口邊界：由于系統(tǒng)背壓的存在，對于流出區(qū)域，采用壓力形式邊界。壓力邊界值設置為P=1.3e+05pa,即表壓設為0pa。壁面條件：固體壁面上采用無滑移條件QV-ilodtyInhHZMtNMt|lnl?c-i

三、計算結果與分析采用標準壁面函數(shù)、分離隱式求解器進行模擬。進口條件湍流模型K和￡的指定采用湍流強度與水力直徑。在求解中分別選用標準K-￡模型,模擬計算三維冷熱水混合器內部液體流動狀況。設置如下MomtnlumTh±iwil|HadlallanS?bKl±aDW|MomtnlumTh±iwil|HadlallanS?bKl±aDW||UKCucel圖3求解器的設置結果顯示,冷水和熱水分別自混合器的兩側沿水平切線方向流入時，標準K七湍流模型在228次迭代時達到收斂,當冷水入口沿水平切線方向流入，熱水入口沿水平徑向流入時，模型在迭代223次時就達到收斂。QVikotxkJvtZmc-IfamcTOC\o"1-5"\h\z|l^jrBii|fladhihnlSpecies-DPu|UDS|軸loEyS>c<lll[3ilonMeU怕*..幅Norsri軻BounM云~恥Frt*tAhwtfcwVrtKlt^Intfa]ji卜皿幀；Tiirb^HHMSardii対IonhhiZT^irWe?iInknAlty岡pIMrbADImhh|￡m|7F匚二二「QfrHISEffltMine|Mil

各自的計算殘差圖如下圖所示。辭兇A：詢陽申“*.■>.內卄■帀加何AWigE?“jy肝谿i|||cxicliilt|H>±1kTA-rirtmlflalDiicctiainismilr-lJ^■erwxnn^nwi昭（鼻站|毎戟”吊[JPW4』*Hhs珂優(yōu)申|仙怦恤北地p；Ritwi巴HdfcrlawllliEnmSptDllEaiiaiRfc4i3d||^Vg-||j|g）Qmiunry廠Ai*eIEErjIlbilKnJVcaauiEUiiMHhcfirTPjiHF|?hHileTBtiitaajaOKCMi?qMa.|圖4冷熱入口都沿水平切線方向的殘差圖?JW圖5冷水入口沿水平切線方向時的殘差圖從出口的溫度監(jiān)視器監(jiān)測到的曲線顯示第一種結構在迭代到50次左右的時候出口溫度在物理層面上達到收斂，而第二種結構在迭代到40次左右就達到了物理層面上的收斂。出口面平均溫度的變化曲線圖9兩端入口水平切線流入趨于同一溫度300k。圖10只有一端入口水平切線流入圖11兩端入口水平切線流入圖6兩端入口水平切線流入時的出口溫度圖12只有一端入口水平切線流入圖7只有一端入口水平切線流入時的出口溫度溫度分布圖的比較速度矢量對比圖8和圖9分別是兩種入口布置時z=4平面上的溫度分布圖,圖10和圖11分別是壁面上的溫度分布,通過比較可看出，當冷熱水入口都是沿水平切線方向流入時，冷熱水的流動方向相一致因此混合較為平順,不會產(chǎn)生特別明顯的渦流，因此混合器內同一位置溫度梯度??；當冷水入口沿水平切線方向流入，熱水入口沿水平徑向流入時，由于冷熱水流的運動方向有所沖突，兩股水流相互沖擊形成了比較明顯的渦旋，所以混合器內同一位置溫度梯度較大。但是最終兩種結構都圖13和圖14分別是兩種不同的入口布置下z=4平面上的速度矢量圖，經(jīng)分析可得，流體以lm/s流進混合器，隨著入水口的增大,進入混合器的流體速度也增大，從圖中可看出，當冷水和熱水分別自混合器的兩側沿水平切線方向流入時，流體混合較充分。圖15和圖16分別是z=2平面上的速度矢量圖。從圖14中可以很明顯的看到水流在混合器的內部產(chǎn)生漩渦，漩渦一方面造成水流的局部壓力損失；另一方面造成混合器內流體流動分布的不均勻。當冷水和熱水分別自混合器

圖13兩端入口水平切線流入圖14只有一端入口水平切線流入的兩側沿水平切線方向流入時，漩渦現(xiàn)象明顯減小，減少了水流混合時的能量消耗，有利于冷熱水的充分混合。此外從圖16圖13兩端入口水平切線流入圖14只有一端入口水平切線流入圖15兩端入口水平切線流入圖16只有一端入口水平切線流入中心線上的壓強分布圖17和圖18分別是兩種入口布置下的z軸上的壓強分布圖，當z=0~8mm時，壓強趨于穩(wěn)定值，由于入水口半徑為1mm的混合器內存在漩渦，造成壓力損失，直線有稍微波動；當z=0?-5mm時，流體經(jīng)混合器流經(jīng)下部圓錐容器內，此時壓力急劇下降，當z=-5?-10mm時，流體從錐型容器經(jīng)出水口流出，因為流體進入半徑較小的出水管，由于渦旋的存在導致流體的壓力繼續(xù)減小，直到流出時壓力為零。圖17兩端入口水平切線流入圖18只有一端入口水平切線流入圖17兩端入口水平切線流入中心線上的溫度分布圖19和圖20分別是在兩種不同的入口布置下混流器中心軸線z軸上的溫度分布圖。由圖19可以看出，當冷熱水都從水平切線方向流入時，在整體范圍內z軸上的溫度趨于一個穩(wěn)定的值300k左右，可見這樣的入口設置使得混流器內的溫度處于一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。而從圖20中明顯的可以看出在z=0~8mm的范圍內溫度有一個很大的變化，引起這種變化的原因是，由于熱水冷水的流入路徑相互沖突，在混流器內部冷熱水不是漸漸地混合，而是猛烈地相互沖擊，導致混流器內部的溫度并不均勻，然而在z=-5~0mm的范圍內隨著流動的逐漸平穩(wěn)下來，混流器內的溫度也漸漸變的均勻下來。SWH"I-nJ圖19兩端入口水平切線流入I科圖20只有一端入口水平切線流入四、總結孟慶龍，王元，閆秀英.冷熱水混合器出水溫度控制系數(shù)參數(shù)估計法[J].西安交通大學報，2008，42(11).熊朝坤,余波,姚遠.一種新型流體混合裝置的探討[J].西華大學學報(自然科學版),2005(S0)：202-208.本文主要介紹了重要CFD軟件FLUENT的主要特點，介紹了FLUENT中常用的標準k-S湍流模型的原理和應用。舉例說明了FLUENT在冷、熱水混合器內的三維流動與換熱分析中的應用。運用FLUENT中的標準k-S湍流模型進行計算，對混流器內部的三維流場進行了分析，捕捉到了混流器內部流場的很多規(guī)律性的東西，反映了混流器內部的溫度場和速度梯度，對混流器的設計和改進有一定的指導意義。對兩種不同的水流入口的布置方式的數(shù)值模擬結果表明，冷、熱水入口的布置位置對混流器內部的流場有一定的影響。入口的布置應盡量使得冷、熱水的入流軌跡平順的相互混合，避免相互間直接的碰撞，例如冷、熱水分別從水平切線方向流入混流器，這樣可以降低混流器內部的混亂程度，降低混流器內流體速