基于fluent的冷、熱水混合器內(nèi)三維流場數(shù)值模擬

1、<p>　　基于FLUENT的冷、熱水混合器內(nèi)三維流場數(shù)值模擬</p><p>　　張闖 1120100662</p><p>　　【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(nèi)的應用情況。通過運用FLUENT軟件的標準 k-ε湍流模型對兩種結(jié)構(gòu)的冷、熱水混合器模型進行三維數(shù)值模擬計算，分析其內(nèi)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

2、真實反映混合器內(nèi)部的復雜流動，為混合器的設(shè)計和改進提供理論依據(jù)。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】FLUENT  冷、熱水混合器  標準 k-ε湍流模型</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　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

3、技術(shù)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(shè)備。廣泛適用于賓館、飯店、學校、醫(yī)院、廠礦、機關(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)的用水量實際需要選擇型號，并由用戶自行調(diào)節(jié)設(shè)定洗浴水出水溫度，高精度的實現(xiàn)洗浴水溫度的自動控制。</p><p>　　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

4、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(shè)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(shè)定要求，使系統(tǒng)用水保持在恒溫狀態(tài)。</p><p>　　Fluent軟件介紹</p><p>　　FLUENT是美國FLUENT 公司開發(fā)的集流場、燃燒和熱、質(zhì)量傳輸以及化學

5、反應于一體的商業(yè)CFD 軟件, 也是目前國內(nèi)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, FLUENT 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(zhuǎn)機械、噪聲 污染、核能與動力等方面均有廣泛應用。</p><p>　　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

6、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(shù)和計算精度控制技術(shù),如多層網(wǎng)格法、快速收</p><p>　　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(jié)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(zhì)反應和傳遞流動模型、污

7、染物質(zhì)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(zhì)、多孔泵模型等。</p><p>　　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

8、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。</p><p>　　二、k-ε模型的原理和應用</p><p>　　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

9、線方向流入），在容器內(nèi)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</p><p>　　k -ε模型的原理； </p><p>　　k -ε 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(jié)構(gòu)。整個湍流場的特性都取決于這

10、些渦結(jié)構(gòu)的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡，同時這些渦結(jié)構(gòu)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 -ε 模型包括RNG k -ε 模型和標準k -ε 模型等，下面簡要介紹一下標準k -ε 模型。</p><p><b>　　標準 k -ε模型</b></p><p>　　雙方程模型把

11、紊流粘性與紊動能 和耗散率k ε 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。 ε?k 雙方程模型是由英國帝國學院Spalding教授領(lǐng)導的研究小組于 1974 年提出的，后來被應用界廣泛采納。k -ε模型假設(shè)湍流粘性和湍動能及耗散率有關(guān)，標準的k- ε 方程形式為：</p><p>　　+=p- ε+[(μ+)]</p><p>　　+=- +[(μ+)]</p&

12、gt;<p><b>　　=</b></p><p>　　其中，k，ε分別為湍動能和湍流耗散率， 為湍動能生成項， 為湍流粘性系數(shù)，模型常數(shù)分別為： =1.44， =1.92， =1.3， =1.0， =0.09</p><p><b>　　幾何建模</b></p><p>　　計算網(wǎng)格生成是計算流體力學和其

13、他數(shù)值模擬技術(shù)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(jié)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。</p><p>　　本文研究了不同結(jié)構(gòu)

14、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?qū)φw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。</p><p><b>　　圖1 </b></

15、p><p><b>　　圖2 </b></p><p>　　圖1、2 網(wǎng)格劃分示意圖</p><p><b>　　設(shè)置邊界條件</b></p><p>　　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1m/s，溫度280k，熱水入口速度大小1m/s，溫度

16、320k，冷熱水入水口的湍動能κ和湍能耗散系數(shù)ε分別按5%的湍流強度和2cm水力直徑計算確定。</p><p>　　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(shè)置為P=1.3e+05pa，即表壓設(shè)為0pa。</p><p>　　壁面條件：固體壁面上采用無滑移條件</p><p><b>　　三、計算結(jié)果與分析</b>

17、;</p><p>　　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κ和ε的指定采用湍流強度與水力直徑。在求解中分別選用標準κ-ε模型,模擬計算三維冷熱水混合器內(nèi)部液體流動狀況。設(shè)置如下</p><p><b>　　圖3 求解器的設(shè)置</b></p><p>　　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，標準κ

18、-ε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。各自的計算殘差圖如下圖所示。</p><p>　　圖4 冷熱入口都沿水平切線方向的殘差圖</p><p>　　圖5 冷水入口沿水平切線方向時的殘差圖</p><p>　　從出口的溫度監(jiān)視器監(jiān)測到的曲線顯示第一種結(jié)構(gòu)在迭代到50次左右的時候出口

19、溫度在物理層面上達到收斂，而第二種結(jié)構(gòu)在迭代到40次左右就達到了物理層面上的收斂。</p><p>　　出口面平均溫度的變化曲線</p><p>　　圖6 兩端入口水平切線流入時的出口溫度</p><p>　　圖7 只有一端入口水平切線流入時的出口溫度</p><p><b>　　溫度分布圖的比較</b></p&g

20、t;<p>　　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(nèi)同一位置溫度梯度?。划斃渌肟谘厮角芯€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(nèi)同一位置溫度梯度較大。但是最

21、終兩種結(jié)構(gòu)都趨于同一溫度300k。</p><p>　　圖9 兩端入口水平切線流入</p><p>　　圖10 只有一端入口水平切線流入</p><p>　　圖11 兩端入口水平切線流入</p><p>　　圖12 只有一端入口水平切線流入</p><p><b>　　速度矢量對比</b><

22、/p><p>　　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1m/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(cè)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(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)流體流動分布的不

23、均勻。當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，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可看出，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，混流器內(nèi)部的流體更加的混亂無序，這樣雜亂的流動不利于冷熱水的均勻混合。</p><p>　　圖13兩端入口水平切線流入</p><p>　　圖14 只有一端入口水平切線流入</p&g

24、t;<p>　　圖15兩端入口水平切線流入</p><p>　　圖16 只有一端入口水平切線流入</p><p><b>　　中心線上的壓強分布</b></p><p>　　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(nèi)存在漩渦，造成壓力損失，直線有稍微

25、波動；當z=0～-5mm時，流體經(jīng)混合器流經(jīng)下部圓錐容器內(nèi)，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。</p><p>　　圖17兩端入口水平切線流入</p><p>　　圖18 只有一端入口水平切線流入</p><p><b>　　中心線

26、上的溫度分布</b></p><p>　　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(nèi)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(shè)置使得混流器內(nèi)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(nèi)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

27、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)隨著流動的逐漸平穩(wěn)下來，混流器內(nèi)的溫度也漸漸變的均勻下來。</p><p>　　圖19兩端入口水平切線流入</p><p>　　圖20 只有一端入口水平切線流入</p><p><b>　　四、總結(jié)</b></p>

28、<p>　　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-ε湍流模型的原理和應用。舉例說明了FLUENT在冷、熱水混合器內(nèi)的三維流動與換熱分析中的應用。運用FLUENT中的標準k-ε湍流模型進行計算，對混流器內(nèi)部的三維流場進行了分析，捕捉到了混流器內(nèi)部流場的很多規(guī)律性的東西，反映了混流器內(nèi)部的溫度場和速度梯度，對混流器的設(shè)計和改進有一定的指導意義。</p><p&g

29、t;　　對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混流器內(nèi)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(nèi)部的混亂程度，降低混流器內(nèi)流體速度的不均勻性。</p><p>　　CFD可以很容易實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的流動計算，并提供大量詳細的流動信息，省時省力，具有試驗研究無法比擬的優(yōu)

30、點，其結(jié)果具有很強的指導意義。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　ANSYS Inc. FLUENT 612 UDF manual [M] South2pointe , USA:Fluent Inc.,2005.</p><p>　　馬藝, 金有海, 王振波.FLUENT 軟件在液-液旋流器中的應用[J].過濾

31、與分離, 2008, 18( 2).</p><p>　　王福軍. 計算流體動力學分析—————CFD 軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.</p><p>　　韓占忠，等. FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用[M].北京: 北京理工大學出版社, 2004.</p><p>　　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