基于FLUENT的冷、熱水混合器內(nèi)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬

基于FLUENT的冷、熱水混合器內(nèi)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬張闖1120100662【摘要】本文介紹了FLUENT軟件的主要特點(diǎn)及其在冷熱水混合器內(nèi)的應(yīng)用情況。通過(guò)運(yùn)用FLUENT軟件的標(biāo)準(zhǔn)k七湍流模型對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的冷、熱水混合器模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析其內(nèi)部流場(chǎng)變化情況，通過(guò)模擬計(jì)算并對(duì)比兩種模型的流場(chǎng)變化，能真實(shí)反映混合器內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)，為混合器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。【關(guān)鍵詞】FLUENT冷、熱水混合器標(biāo)準(zhǔn)k七湍流模型引言工程熱水恒溫混合器，是為適應(yīng)中央熱水工程向大型化、自動(dòng)化和人性化發(fā)展的技術(shù)要求而研發(fā)的，是為太陽(yáng)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(dòng)洗浴水恒溫控制設(shè)備。廣泛適用于賓館、飯店、學(xué)校、醫(yī)院、廠礦、機(jī)關(guān)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(shí)際需要選擇型號(hào)，并由用戶自行調(diào)節(jié)設(shè)定洗浴水出水溫度，高精度的實(shí)現(xiàn)洗浴水溫度的自動(dòng)控制。恒溫混合器的工作原理：當(dāng)熱媒水與冷水同時(shí)在等壓比下進(jìn)入本機(jī)混合器進(jìn)行冷熱水混合，冷熱混合后的應(yīng)用水進(jìn)入緩沖室。緩沖室的水溫傳感器將水溫信號(hào)傳輸給溫控裝置，當(dāng)緩沖室的水溫比設(shè)定要求高（或低）時(shí)，溫控裝置對(duì)來(lái)自熱水箱的熱水和自來(lái)水（或冷水箱冷水）進(jìn)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(dá)到設(shè)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(guó)FLUENT公司開發(fā)的集流場(chǎng)、燃燒和熱、質(zhì)量傳輸以及化學(xué)反應(yīng)于一體的商業(yè)CFD軟件，也是目前國(guó)內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一。自其上市以來(lái),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(chǎng)份額。獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使FLUENT在水利船舶、材料加工、燃料電池、航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、噪聲污染、核能與動(dòng)力等方面均有廣泛應(yīng)用。FLUENT軟件的最大特點(diǎn)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(shí)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(jìn)的離散技術(shù)和計(jì)算精度控制技術(shù),如多層網(wǎng)格法、快速收斂準(zhǔn)則以及光滑殘差法等,數(shù)學(xué)模型的離散化和軟件計(jì)算方法處理較為得當(dāng)。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),該軟件在模擬單相流動(dòng)或進(jìn)出口同向或反向流動(dòng)時(shí)，可以得到較好的模擬計(jì)算結(jié)果,且具有一定的計(jì)算精度。FLUENT軟件包主要具有常用的6種湍流數(shù)學(xué)模型、輻射數(shù)學(xué)模型、化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)和傳遞流動(dòng)模型污染物質(zhì)形成模型、相變模型、離散相模型、多相模型、流團(tuán)移動(dòng)模型、多孔介質(zhì)、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(dòng)的計(jì)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(jì)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(duì)可壓縮流動(dòng)采用耦合法,即將連續(xù)性方程、動(dòng)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(lái)建立幾何形狀及生成網(wǎng)格,然后由FLUENT進(jìn)行求解。二、k-￡模型的原理和應(yīng)用本文主要分析冷水和熱水分別自混合器的兩側(cè)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(nèi)混合后經(jīng)過(guò)下部漸縮管道流入等徑的出流管，最后流入大氣，該問(wèn)題是三維的流動(dòng)問(wèn)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(shí)也是工程中應(yīng)用最為普遍的模式。湍流被稱為經(jīng)典力學(xué)的最后難題，原因

在于湍流場(chǎng)通常是一個(gè)復(fù)雜的非定常、非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，流場(chǎng)中充滿著各種大小不同的渦結(jié)構(gòu)。整個(gè)湍流場(chǎng)的特性都取決于這些渦結(jié)構(gòu)的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡，同時(shí)這些渦結(jié)構(gòu)之間又不斷發(fā)生著復(fù)雜的相互作用，這就使得對(duì)湍流現(xiàn)象的理解、描述和控制變得十分困難。對(duì)于單相流動(dòng)，科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)k七模型等，下面簡(jiǎn)要介紹一下標(biāo)準(zhǔn)k七模型。標(biāo)準(zhǔn)k-8模型=1.3，6=1.0，雙方程模型把紊流粘性與紊動(dòng)能和耗散率k￡相聯(lián)系，建立起它們與渦粘性的關(guān)系，這種模型在工程上被廣泛采納?！?k雙方程模型是由英國(guó)帝國(guó)學(xué)院Spalding教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于在于湍流場(chǎng)通常是一個(gè)復(fù)雜的非定常、非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，流場(chǎng)中充滿著各種大小不同的渦結(jié)構(gòu)。整個(gè)湍流場(chǎng)的特性都取決于這些渦結(jié)構(gòu)的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡，同時(shí)這些渦結(jié)構(gòu)之間又不斷發(fā)生著復(fù)雜的相互作用，這就使得對(duì)湍流現(xiàn)象的理解、描述和控制變得十分困難。對(duì)于單相流動(dòng)，科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)k七模型等，下面簡(jiǎn)要介紹一下標(biāo)準(zhǔn)k七模型。標(biāo)準(zhǔn)k-8模型=1.3，6=1.0，雙方程模型把紊流粘性與紊動(dòng)能和耗散率k￡相聯(lián)系，建立起它們與渦粘性的關(guān)系，這種模型在工程上被廣泛采納。￡-k雙方程模型是由英國(guó)帝國(guó)學(xué)院Spalding教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于1974年提出的，后來(lái)被應(yīng)用界廣泛采納。k-￡模型假設(shè)湍流粘性和湍動(dòng)能及耗散率有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)的k-￡方程形式為幾何建模計(jì)算網(wǎng)格生成是計(jì)算流體力學(xué)和其他數(shù)值模擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是促進(jìn)CFD工程使用化的一個(gè)重要因素。網(wǎng)格生成過(guò)程就是把一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格時(shí)才能對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解，網(wǎng)格劃分越細(xì)，得到的結(jié)果就越精確，但耗時(shí)就越多。由此可以看出，網(wǎng)格生成是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的第一步，有著極其重要的地位。+二p-￡本文研究了不同結(jié)構(gòu)混合器，以進(jìn)水口位置不同時(shí)的模型為例來(lái)進(jìn)行模擬仿真。其進(jìn)、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?qū)φw進(jìn)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(jìn)、出水口從水平切線方向流入為例來(lái)說(shuō)明網(wǎng)格劃分，圖2是另一種進(jìn)水口布置時(shí)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(shè)置邊界條件入口邊界：混合器入口速度可以認(rèn)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(dòng)能K和湍能耗散系數(shù)￡分別按5%的湍流強(qiáng)度和2cm水力直徑計(jì)算確定。出口邊界：由于系統(tǒng)背壓的存在，對(duì)于流出區(qū)域，采用壓力形式邊界。壓力邊界值設(shè)置為P=1.3e+05pa,即表壓設(shè)為0pa。壁面條件：固體壁面上采用無(wú)滑移條件QV-ilodtyInhHZMtNMt|lnl?c-i

三、計(jì)算結(jié)果與分析采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、分離隱式求解器進(jìn)行模擬。進(jìn)口條件湍流模型K和￡的指定采用湍流強(qiáng)度與水力直徑。在求解中分別選用標(biāo)準(zhǔn)K-￡模型,模擬計(jì)算三維冷熱水混合器內(nèi)部液體流動(dòng)狀況。設(shè)置如下MomtnlumTh±iwil|HadlallanS?bKl±aDW|MomtnlumTh±iwil|HadlallanS?bKl±aDW||UKCucel圖3求解器的設(shè)置結(jié)果顯示,冷水和熱水分別自混合器的兩側(cè)沿水平切線方向流入時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)K七湍流模型在228次迭代時(shí)達(dá)到收斂,當(dāng)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(shí)，模型在迭代223次時(shí)就達(dá)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(jì)算殘差圖如下圖所示。辭兇A：詢陽(yáng)申“*.■>.內(nèi)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(shí)的殘差圖從出口的溫度監(jiān)視器監(jiān)測(cè)到的曲線顯示第一種結(jié)構(gòu)在迭代到50次左右的時(shí)候出口溫度在物理層面上達(dá)到收斂，而第二種結(jié)構(gòu)在迭代到40次左右就達(dá)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(shí)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(shí)的出口溫度溫度分布圖的比較速度矢量對(duì)比圖8和圖9分別是兩種入口布置時(shí)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(guò)比較可看出，當(dāng)冷熱水入口都是沿水平切線方向流入時(shí)，冷熱水的流動(dòng)方向相一致因此混合較為平順,不會(huì)產(chǎn)生特別明顯的渦流，因此混合器內(nèi)同一位置溫度梯度??；當(dāng)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(shí)，由于冷熱水流的運(yùn)動(dòng)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(nèi)同一位置溫度梯度較大。但是最終兩種結(jié)構(gòu)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(jìn)混合器，隨著入水口的增大,進(jìn)入混合器的流體速度也增大，從圖中可看出，當(dāng)冷水和熱水分別自混合器的兩側(cè)沿水平切線方向流入時(shí)，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(nèi)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(nèi)流體流動(dòng)分布的不均勻。當(dāng)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(cè)沿水平切線方向流入時(shí)，漩渦現(xiàn)象明顯減小，減少了水流混合時(shí)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(qiáng)分布圖17和圖18分別是兩種入口布置下的z軸上的壓強(qiáng)分布圖，當(dāng)z=0~8mm時(shí)，壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定值，由于入水口半徑為1mm的混合器內(nèi)存在漩渦，造成壓力損失，直線有稍微波動(dòng)；當(dāng)z=0?-5mm時(shí)，流體經(jīng)混合器流經(jīng)下部圓錐容器內(nèi)，此時(shí)壓力急劇下降，當(dāng)z=-5?-10mm時(shí)，流體從錐型容器經(jīng)出水口流出，因?yàn)榱黧w進(jìn)入半徑較小的出水管，由于渦旋的存在導(dǎo)致流體的壓力繼續(xù)減小，直到流出時(shí)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(dāng)冷熱水都從水平切線方向流入時(shí)，在整體范圍內(nèi)z軸上的溫度趨于一個(gè)穩(wěn)定的值300k左右，可見(jiàn)這樣的入口設(shè)置使得混流器內(nèi)的溫度處于一個(gè)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(nèi)溫度有一個(gè)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(nèi)部冷熱水不是漸漸地混合，而是猛烈地相互沖擊，導(dǎo)致混流器內(nèi)部的溫度并不均勻，然而在z=-5~0mm的范圍內(nèi)隨著流動(dòng)的逐漸平穩(wěn)下來(lái)，混流器內(nèi)的溫度也漸漸變的均勻下來(lái)。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(jié)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(jì)法[J].西安交通大學(xué)報(bào)，2008，42(11).熊朝坤,余波,姚遠(yuǎn).一種新型流體混合裝置的探討[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(S0)：202-208.本文主要介紹了重要CFD軟件FLUENT的主要特點(diǎn)，介紹了FLUENT中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-S湍流模型的原理和應(yīng)用。舉例說(shuō)明了FLUENT在冷、熱水混合器內(nèi)的三維流動(dòng)與換熱分析中的應(yīng)用。運(yùn)用FLUENT中的標(biāo)準(zhǔn)k-S湍流模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)混流器內(nèi)部的三維流場(chǎng)進(jìn)行了分析，捕捉到了混流器內(nèi)部流場(chǎng)的很多規(guī)律性的東西，反映了混流器內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度梯度，對(duì)混流器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義。對(duì)兩種不同的水流入口的布置方式的數(shù)值模擬結(jié)果表明，冷、熱水入口的布置位置對(duì)混流器內(nèi)部的流場(chǎng)有一定的影響。入口的布置應(yīng)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(nèi)部的混亂程度，降低混流器內(nèi)流體速