温度分层型水蓄冷槽斜温层的动态特性模拟

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(1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 200092；2.深圳市中鼎空调净化有限公司，广东 深圳 518033)

温度分层型水蓄冷槽斜温层的动态特性模拟

穆迪1，高乃平1，朱彤1，王春生2，姚博2

(1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 200092；2.深圳市中鼎空调净化有限公司，广东 深圳 518033)

针对温度分层型水蓄冷槽提出了一种新型布水器开孔方式，研究了流量为1.0 m3/h时开孔角度分别为60°、90°、120°三种情况。采用计算流体力学(CFD)的方法分析了布水器的开孔角度对温度分层的影响，模拟在充冷过程中垂直高度方向的温度分布和蓄冷槽底部的速度分布情况，并进行了比较分析。结果表明，在开孔角度为90°时，布水器出流最为均匀，斜温层厚度最小，布水器性能最好。

温度分层型水蓄冷；斜温层；布水器；开孔角度；数值模拟

温度分层型水蓄冷槽是一种利用水在不同温度时密度不同的特性自然进行分层的蓄冷装置，在水温大于277 K的情况下，温度低的水密度大，位于蓄冷槽的下部，而温度高的水密度小，位于蓄冷槽的上部，在充冷或释冷过程中水流缓慢地自下而上或自上而下地流动，整个过程在蓄冷池内形成稳定的温度分布[1]。

设计良好的温度分层型水蓄冷槽在上部温水区与下部冷水区之间形成并保持一个斜温层，确保稳定而厚度适宜的斜温层是提高蓄冷效率的关键。在温度分层型水蓄冷储槽中，为了使水以重力流或活塞流平稳地导入槽内(或由槽内引出)，关键要在储槽的冷温水进出口处设置适当的布水器，以确保水流在储槽内均匀分配[2]。

目前国内对于温度分层型水蓄冷槽布水器的结构研究较多，同济大学于航[2]、胡国霞[3]及邓育涌[4]针对不同形状的布水器进行了模拟，研究了不同布水器进口处速度场的分布及混合特性；东南大学张素芬[5]针对八角型布水器支管上不同孔径和不同开孔数量建立模型，比较了不同类型布水器的出流速度特性。这些成果均基于圆柱形蓄冷槽和八角形或圆盘形布水器之上，而对长方体蓄冷槽和H型布水器的研究则较少，但在目前工程实践中长方体蓄冷槽的水蓄冷系统使用较普遍。天津大学白鹃[6]对长方体蓄水池、圆管开120°条缝形布水器(H型布水器)进行了研究，对比分析了不同流量、不同供回水温度对蓄冷效果的影响，并针对分层效果较差的实验工况采用均流孔板的方法进行了优化改进，使用均流孔板的目的在于使出水流能在蓄水槽中均匀分配，尽量避免混水现象的产生，使温度分层效果更加明显。

本文提出了一种H型布水器的开孔方式，使相邻距离最小的三个孔成等边三角形，与传统的条缝形布水器相比，新型开孔方式中孔与孔之间的距离更加平均，更容易达到出流均匀分配的目的，从而不借助于均流孔板也能形成稳定且厚度适宜的斜温层。为了找出较为合适的开孔角度，对流量一定、管径一定的H型布水器，在其支管上设置三种不同的开孔角度，利用CFD技术[7]研究孔径一定的情况下，充冷过程中垂直高度方向温度分布以及蓄冷槽底部速度分布情况。

1 研究对象

研究对象为设置在长方体蓄冷水池内上下部位的H型布水器，排列方式如图1所示。H型布水器由干管管网和布水器管网组成，其中干管管网由在一个平面的多级H型直管组成，且各级配管管径依次减小，布水器管网由多排平行的直管组成，各布水管在一个平面上。干管管网的末端与布水管连接，布水器管网上均匀开设布水孔。设置在上部的布水器管网的布水孔开口向上，设置在下部的布水器管网布水孔开口向下。

本文拟应用数值模拟技术，对H型布水器的开孔方式进行研究，由于研究对象中布水管较多，研究过程中需要对模型进行合理的简化，选取蓄冷水池的一部分进行模拟研究，忽略干管管网的影响，简化后的物理模型如图2所示。

图1 H型布水管排列方式

2 物理模型

2.1 简化后的物理模型

本文提出了一种新型布水器开孔方式，相邻距离最小的三个孔成等边三角形，以开孔角度α=90°为例，布水管布置与开孔方式如图2所示，图2(a)为简化后的水蓄冷槽及布水管排列方式，图2(b)为单根布水管示意图，图2(c)为布水管任一径向截面，图2(d)为布水管轴向截面。当开孔角度α分别为60°、120°时，开孔方式与其相同。基本参数如表1所示。

表1 水蓄冷槽及布水器基本参数

2.2 模型的合理性验证

温度分层型水蓄冷系统的布水器不仅要形成一个冷、热混合程度混合最小的斜温层，还要保证斜温层不被水流的扰动所破坏。斜温层下部流体的混合程度取决于布水器进口Fr数和Re数，且后者影响更大。判断流体状态的Fr数计算公式如下

式中 Fr——布水器进口的弗兰德准数；

q——布水器单位长度的体积流量/m3·(m·s)-1；

g——重力加速度/m·s-2,g=9.81 m/s2；

hi——布水器进口距蓄水槽底面高度/m；

ρi——布水器进口水的密度/kg·m-3；

ρa——周围水的密度/kg·m-3。

q=Q/L

式中Q——通过布水器的最大流量/m3·s-1；

布水器进口Re数的计算公式如下

式中Re——布水器进口的雷诺准数；

ν——布水器进水的运动粘滞系数，近似按283 K计算，1.306×10-6m2/s。

此外，Ri数也是影响分层效果的一个重要参数[8]，它是一个跟Fr数相当的无量纲参数，它跟Fr数的关系是

式中 Ri——布水器进口的理查德森数。

图2 布水管布置方式与开孔方式

表2 相关无量纲参数的计算数值

表2列出了相关无量纲参数的计算值，在该模型中，Fr≤1.0，池内将保持重力流状态，会维持稳定的水温分层。Re数小于200，符合小型水池对布水器出口Re值的限制[9]。

3 数值模拟

3.1 工况设置及网格划分

模拟了3种不同开口角度的布水器在同一种流量下的充冷情况，蓄冷温差取281 K，进水温度277 K，出水温度285 K。由于单根支管管长的限制，要形成相邻距离最小的三个孔成等边三角形的效果，在不同的开孔角度下，单根管上的开孔个数也会随之变化，表3给出了三种工况的设置情况。

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表3 工况设置

数值模拟中网格划分的好坏直接影响到数值解的可信度。网格数过少，会使得计算的准确性下降；网格数过多，则会增加计算成本。本研究使用多面体网格进行计算，对布水管周围进行了局部加密，以保证较高的计算精度。

3.2 基本假设及计算模型

基本假设：

(1)将整个蓄冷槽看做一个封闭体；

(2)通过水槽壁面导热引起的热损失不计，即在边界条件设置中认为外壁是绝热的；

(3)无外力及内热源；

(4)假设槽在整个充冷过程中，布水器的工作状态达到理想状态，即各个进口处在任意时刻内的流速、温度是均匀一致的。

计算模型：

对于本文的研究模型，Re/Ri较小，当Re/Ri超过500时层流才会转变为湍流[10-11]，因此选用层流模型对充冷过程进行模拟研究。

3.3 边界条件及初始条件

(1)入口条件：三种工况均采用质量入口，质量流量均为0.277 8 kg/s，入口温度277 K。

(2)出口条件：压力出口，出口温度285 K。

(3)重力影响：g=-9.81 m/s2。

(4)流体密度采用线性插值确定。

4 模拟结果及分析

4.1 稳定斜温层的形成过程

蓄水槽中水的初始温度为285 K，充冷温度为277 K。当水温大于277 K时，水的密度随着温度升高而减小，充冷过程中依靠密度差产生一个均匀的重力流，随着下部冷水与上部温水传热过程的进行，槽中逐渐形成稳定的温度分层。如图3所示，以工况2为例，充冷过程初期就开始在垂直高度方向出现温度差异，15 min时底部布水管以下位置接近充满277 K的水，蓄水槽底部有明显的扰动，充冷过程进行至30 min，从温度分层的云图上可以看到明显且较为稳定的斜温层。随着充冷过程的继续进行，斜温层稳步上升。

图3 工况2稳定斜温层的形成情况

图4 15 min时三种工况下蓄冷槽底部温度分布情况

充冷过程在0～20 min时，三种工况下蓄水槽底部的温度分布情况有明显差异，如图4所示。造成温度分布差异的直接原因是速度差异，在下一节中有详细分析。充冷过程20 min后至充冷过程结束，三种工况斜温层的变化情况基本相同。

4.2 开孔角度对蓄水槽底部速度分布的影响

观察三种工况下蓄水槽的温度分布曲线如图5所示，充冷过程进行至20～40 min时，由于同一时刻三种工况下温度分布曲线较为接近，不易区分，因此将部分数据列于表中以作比较，如表4、表5、表6所示。三种工况下同一时刻水槽中0.5～2.5 m高度区间垂直高度方向温度分布情况基本相同。随着充冷过程的进行，温度分布的变化情况也基本相同。充冷过程至40 min时，蓄冷槽底部温度波动极小，即在此时三种工况都已形成较为稳定的斜温层。

图5中可看出，在0～0.5 m高度处，同一时刻三种工况下垂直高度方向温度分布有区别。随着开孔角度的增大，开孔个数减少，布水器出流的分散程度增大，在相同流量的情况下，布水器的出流速度增大。出流速度的不同导致了流体在x、y、z方向速度分量的差异，x与z方向存在速度分量是造成扰动的直接原因，从而导致垂直高度方向温度分布的差异。如表7所示。

图5 同一工况不同时刻下蓄水槽温度分布曲线

表4 充冷至20 min时三种工况温度分布情况

表5 充冷至30 min时三种工况温度分布情况

表6 充冷至40 min时三种工况温度分布情况

表7 20 min时x和z方向的速度分量

注：几种工况下y方向速度分量相同，uy=3.44×10-4m/s，也即蓄水槽横断面流速。

由表7可看出，在0.5 m高度处，工况2的速度分量绝对值大于工况3的值，其余情况下，随着开孔角度的增大，蓄水槽中流体在x和z方向的速度分量绝对值逐渐增大，也即垂直高度方向上流体的扰动情况越来越大。但由于速度分量的数值较小，相对于uy的值也很小，因此可以忽略扰动的影响。

图6 充冷过程至60 min时温度分布曲线

4.3 开孔角度对斜温层厚度的影响

如图6所示，温度在277～285 K的部分为斜温层。充冷过程初期，三种工况垂直高度方向温度分层情况基本相同，温度分布曲线接近重合。充冷过程后期，斜温层出现了较为明显的差异。由图6可看出，充冷过程至60 min时，工况2的斜温层厚度略小于1 m，工况1的斜温层厚度约为1 m，工况3的斜温层厚度约为1.2 m。工况1与工况2在充冷过程中温度分层情况相似，工况2的斜温层厚度较小，充冷过程后期工况3形成的斜温层厚度最大。

综合考虑出流速度大小、出流均匀性及温度分布情况，工况1由于开孔角度最小，开孔数量最多，孔口分布最为密集，因此出流较为集中，各个方向出流不均匀。工况3开孔角度最大，开孔数量最少，出流最为分散，在底部形成的扰动较大，充冷过程后期形成的斜温层厚度最大。工况2各个方向出流较为均匀，充冷过程中斜温层厚度较小。因此在三种工况中，开孔角度为90°时布水器性能最好。

5 结论

本文针对温度分层型水蓄冷槽提出了一种新型布水器开孔方式，即在一定的开孔角度下使相邻距离最小的三个孔成等边三角形。利用CFD软件对同一流量下三种开孔角度的布水器进行了模拟研究，比较分析在充冷过程中三种工况的垂直高度方向温度分布情况和蓄冷槽底部的速度分布。得出如下结论：

(1)充冷过程在0～40 min过程中，蓄水槽底部温度变化情况不同，充冷过程至40 min时，三种工况下均形成了稳定斜温层。

(2)随着开孔角度的增大，开孔个数减少，在流量相同的情况下，布水器出流速度增大。出流速度的差异导致了扰动情况的不同，出流速度越大，扰动越大。但由于扰动速度分量较小，因此可以忽略其影响。

(3)开孔角度对斜温层厚度有影响，充冷过程至60 min后，开孔角度为90°时斜温层厚度最小，开孔角度为120°时斜温层厚度最大。

(4)开孔角度的不同造成了出流均匀性的差异。开孔角度为60°时出流较集中，开孔角度为90°时出流较均匀，开孔角度为120°时出流较分散。

综合考虑出流速度大小、出流均匀性及温度分布情况，在三种开孔角度中，开孔角度为90°时布水器性能最好。

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[2]于航,邓育涌,孙斌,等.温度分层型水蓄冷罐的仿真研究[J].能源技术,2006,27(3):120-122.

[3]胡国霞.温度分层型水蓄冷槽布水口的特性研究[D].上海：同济大学，2008.

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[6]白鹃.自然分层型水蓄冷条缝形布水器的优化研究[D].天津：天津大学，2009.

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SimulationonDynamicCharacteristicofThermoclineinTemperatureStratifiedChilledWaterStorageTank

MU Di1, GAO Nai-ping1, ZHU Tong1, WANG Chun-sheng2, YAO Bo2

(1.School of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.ShenzhenZhongding Air Conditioning Purge CO.,LTD, Shenzhen 518033, China)

A new kind of opening angle is proposed for temperature stratified chilled water thermal storage tank. Computational Fluid Dynamics (CFD) method is used to analyze the influence of different opening angles of distributors on the temperature distribution in the thermal storage tank. Three opening angles of 60°, 90°,120°with the same flow rate of 1.0 m3/h are modeled. By the simulation, the thermal stratification in vertical direction and the velocity field in the bottom of the tank are tested and investigated in the charging process. The results show that the thinnest and most stable thermocline shows when the opening angle is 90°.

temperature stratified chilled water storage; thermocline; distributor; opening angle; simulation

2013-11-11修订稿日期2014-02-28

穆迪(1992～)，女，博士研究生,研究方向为建筑通风与室内气流组织。

TU83

A

1002-6339 (2014) 05-0404-06