本文提出了两种计算储热水箱温度场和热水输出率的仿真方案,两方案分别用Boussinesq模型和多项式函数来描述水物性。通过hypermesh完成流域的三维造型和网格剖分,基于计算流体力学Fluent软件,采用k-e双方程湍流模型和PIS0算法,对水箱在重力作用下的流场和温度场进行了瞬态计算。方案二的仿真结果更接近于实际测试结果,热水输出率的计算误差仅为1.12%。建立的储热水箱仿真计算模型,可以为同类设备的新产品研发提供理论分析和数值计算依据。
0 引言
储热水箱是热水器系统的主要组成部分,其热水输出率直接影响着整个系统的性能,提高水箱的热水输出率是提高整个系统效率的关键。水的密度是随着温度的变化而变化的,温度越高,水的密度越小,在重力影响下密度梯度形成浮升力,温度高的水集中在水箱的上部,温度低的水集中在水箱的底部,根据温度不同而形成明显分层现象。水箱内温度分层的效果决定着水箱的热水输出率。传统的储热水箱设计主要依靠实物试验,是一个设计-样机-测试-再设计的过程,通过制造样机和实验的手段来优化结构。CFD方法可以通过计算机数值计算和图像显示的方法,对包含有流体流动和热传导相关物理现象的系统进行分析,帮助设计人员对设备内的流场分布情况进行深入细致的了解,优化设计结构。
国内的大部分对于水箱温度分层的仿真研究,应用的是流体力学计算软件Fluent,水密度与温度的关系则采用Boussinesq假设来近似,将水密度认为是温度的线性函数。在实际情况下,水箱内的水温跨度较大,水密度与温度的关系不能再近似为线性关系,Boussinesq假设近似的计算结果会与实际结果有一定的偏差。笔者在前人计算方法的基础上,重新确定了一套仿真方案,适用于密度与温度变化为非线性关系的问题。
1 模型建立
本文仿真计算的对象为100L的储热水箱,根据几何模型,进行适当的简化得到流体计算域。为减少网格数量,计算域网格剖分过程中以8mm作为基本网格尺寸,并对进水管和出水管等局部位置进行网格加密,最终得到的网格模型如图1所示,网格总量210万。

2 物理模型
2.1 计算模型
根据《储热式电热水器国家标准GB/T20289-2006》中热水输出率的测试方法,将水箱内水温加热到温度探头测得的温度为65°C,切断电源。开启出水阀门放水,同时入水口开始注入15°C的冷水,通过安装在出水口的阀门控制放水流量。放水过程中记录出水的温度,连续放水直至出水温度下降到45°C为止。

水箱内的初始温度为20°C,由水箱内的加热棒加热,加热棒功率为2000W,加热面积由Fluent计算出为0.017944416m2,则加热功率密度为111455.3W/m2。根据《储热式电热水器国家标准GB/T20289-2006》,100L水箱放水过程的流量为10L/min,以此计算进口和出口的工况条件如表1。进口位置和出口位置的雷诺数均大于2300,属于湍流流动。


方程的求解选择基于压力的求解器进行非定常计算,压力速度耦合方式为PIS0算法,压力项以Body-forceweighted格式离散,其余项为二阶迎风离散格式。以速度入口为入口条件控制体积流量,入口水温为15°C,出流出口为出口条件。
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