新型H型水蓄冷布水器的设计与数值模拟研究

王子烨， 黄凤苗， 郭盛祯

（华电华源工程有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

水蓄冷技术在我国应用广泛，相对于常规空调，水蓄冷空调具有一些优点[1，2]。自然分层型水蓄冷技术是一种重要的蓄冷技术，具有较好的技术经济优势。液态水局部温度出现差异时，由于自然对流形成不同温度部分的分层。而自然分层型水蓄冷技术中的核心技术是布水器的设计[3，4]。M.W.Wildin[5～7]等人进行了大量实验研究，发现当布水器入口弗雷德数不大于2时，蓄冷水箱可以达到较好的运行效果，当入口雷诺数减小时，在斜温层形成过程中，布水器入口附近的混合将减少。他指出影响蓄冷效果的两种非常重要的混合作用（一种是充冷或放冷初期的混合，它直接决定了斜温层的的初始厚度，一种是斜温层形成后入流处形成的漩涡和循环流形成的混合；斜温层形成后的布水器入口测混合取决于弗雷德数和雷诺数，其中雷诺数更为重要）。而雷诺数在工质确定的情况下由水的流速和布水器几何结构决定。

理想的自然分层型水蓄冷是冷、热水在罐体截面均匀流入，使得整个流动呈现层流状态。在实际设计运行过程中难以达到理想的布水方式。因此，目前主要面临的问题是如何抑制冷、热水的混合，使出流更加均匀，从而减小斜温层的厚度，提高放冷能力，降低蓄冷水箱的投资费用

对于分层型水蓄冷箱而言，热损失主要有三个途径：1）与外界环境温差造成的通过水蓄冷箱壁面的热损失；2）斜温层与冷、热水界面处的热传导；3）进水端布水器开口处的混合损失，这是提高系统蓄冷效率的关键所在[4]。

本文针对自然分层型水蓄冷技术设计了一种新型的H型布水器，采用数值模拟技术对该布水器的流动传热特性进行研究。

1 新型H型布水器结构设计与几何模型构建

自然分层型蓄冷箱在顶部、底部均布有布水器来引入和导出流体，使流体之间仅有少量混合。良好地布水器设计能够减少蓄冷成本，充分利用蓄冷量，运行比较简单。在运行时，布水器将水引入到蓄水箱中，依靠密度差形成一个蓄冷箱轴线方向的分布的重力流，使冷热水混合尽量减小。因此，在自然分层型蓄水箱中，布水器的设计尤为重要。

图1为设计的新型H型等压流体均布器。均流器之间夹角为120°，方向朝蓄冷箱端面部，背向蓄冷箱主流区。

2 数学模型

数值模拟作为一种新的研究手段具有成本低、开发周期短、能够得到实验所难以得到的详细数据结果。因此，在随着计算机技术发展和应用的普及，数值模拟也越来越得到人们的重视，并在国民经济建设与科学研究中得到广泛地应用[8～10]。

采用通用商业CFD软件FLUENT对新型H型布水器的冲冷过程进行模拟计算。FLUENT基于有限容积法对对象进行网格划分求解。基本数学模型如下：

式中 ρ—密度，kg/m3；

ui—i方向速度分量，m/s；

Sm—动量源项，kg/（m3·s）。

动量守恒方程：

式中 ρ—压强，Pa；

τij—流体的剪应力，Pa；

gi—重力沿i方向分量，m/s2；

Fi—其它体积力，Pa/s。

能量守恒方程：

式中 E—标准焓，J/kg；

keff—有效导热系数，W/（m·K）；

Jj′—扩散项；

Sh—能量源项。

浮力驱动流动和自然对流。

当加热流体，而且流体密度随温度变化时，流体会由于重力原因而导致密度的变化，这种流动现象被称为自然对流（或者混合对流），Fluent可以模拟这种流动。用Gr和Re的比值来度量浮力在混合对流中的作用：

式中 Gr—Grashof数；

Re—雷诺数；

v—流体的动力粘度。

当这个数接近或者超过1时，应该考虑浮力对于流动的作用。反之，就可以忽略浮力的影响。在纯粹的自然对流中，浮力诱导流动由瑞利数（Rayleigh）度量：

其中热膨胀系数：

式中 β—热膨胀系数；

μ —动力粘度，Pa·s；

α—扩散系数，m2/s；

k—导热系数，W/（m·K）；

热扩散系数：

cp热容，J/（kg·K）。

Rayleigh数小于10^8表明浮力诱导为层流流动，当瑞利数在10^8～10^10就开始过渡到湍流。

3 网格划分及模型参数

蓄水箱高9m，长1.025m，宽0.76m。上、下布水器距离蓄水箱端部0.25m。引入管水流速度0.97m/s。均流器直径12mm。

实际水蓄冷过程中，布水器为一组或多组结构单元体。为了减少计算成本，本文采用布水器单元结构进行模拟计算，旨在说明该布水器结构设计的优势之处。

布水器单元体及蓄冷罐体总网格数为126 460，布水器附近网格进行局部加密处理，采用结构化网格和非结构化网格混合技术，通过网格依赖性检查，网格大小满足计算要求。湍流模型为标准κ-ε模型，采用SIMPLEC算法对压力速度进行耦合。采用1阶迎风格式对控制方程进行离散化。

表1 水的温度-密度点对应关系

4 结果讨论

4.1 充冷过程中蓄水箱温度变化规律

图3为蓄冷罐冲冷过程的计算结果云图。时间节点从10min到9h。从图中看出，充冷过程冷热水之间的斜温层以一定的速度平稳移动，斜温层厚度很小，且几乎为水平面形状。该布水器设计能够较好地消除入口对罐体内主流的扰动，使得斜温层能够有效地隔离冷热水，提高蓄冷效率。

图4为不同充冷时刻，蓄冷箱体内中心温度沿高度方向的分布曲线。可以发现，冷热水之间存在一个明显的温度跃迁区间，即斜温层。斜温层的厚度直接反映了蓄冷箱的效率。斜温层越薄且越均匀，则蓄冷效率越高。从图4可看出，温度分布曲线的两个拐点之间可以认为是斜温层区域，厚度为δ。图4d）是充冷4h，δ厚度约为0.7m；图4e）是冲冷时间为6h，δ约为1m，相对热流体区域，冷流体区域温度曲线变化更加平缓，即温度分布范围更宽。靠近冷流体区域的拐点温度随着充冷时间的增加而减小，这是因为冷水区域变大，热水区域对冷流区的加热效应减小造成的。

4.2 下布水器流场矢量分析

图5为下部布水器的速度矢量图。可以发现，引入管内流体流速较高，分配管和分布管内流体流速较低，而分流器出口流速较高，上部主流区流速则较低，且非常平稳。由于分流器出口采用120°背向设计，其优势在于即使分流器数量较少、流速较高，但是其形成的涡流主要存在于布水器与下部罐体壁面之间的狭小空间内，其流动对于上部的主流区域造成的扰动较小，保证了主流区稳定的层流状态，在上部空间形成平稳的斜温层。

斜温层形成后，斜温层下部的热混合对蓄冷效果具有重要的影响。这种混合是由布水器出口来流的惯性引起，产生涡流，造成来流与斜温层流体的环流。如果漩涡和环流强度较大，大量的流体就会离开斜温层，与斜温层下部的流体相混合，使得蓄冷能力下降[4]。

图6是下部布水器流线云图。可以清楚地看出，分流器出口的流线在布水器与蓄冷罐体狭小空间内形成涡流，流体在此处耗散，分流器出口高速流体受到限制，整体上以较低流速、速度分布较均匀的形式流入上部主流空间。该新型布水器设计消除了传统设计中对斜温层造成扰动破坏的涡流的影响，主流区流场形式接近均流板效果。

5 结语

自然分层型水蓄冷系统主要存在的三大能量损失中，布水器出口对蓄冷箱内主流流场的扰动混合引起冷、热水混合带来的蓄冷效率降低是主要的。新型H型布水器的设计使得布水器出口背向蓄冷箱的主流区，避免了出口射流对主流区的直接冲击和扰动，降低了冷、热水的混合。数值模拟结果表明，充冷过程中斜温层维持在较平稳的状态，冲冷6小时斜温层厚度最大约1m，布水器出口扰流对上部主流区的混合作用小，有利于提高蓄冷效率。

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