含内热源大型不规则腔体高精度水循环控温方法研究

薛 宇 叶 蔚,2 赵文萱 吴 超 张 旭

(1 同济大学机械与能源工程学院 上海 201804；2 同济大学 工程结构性能演化与控制教育部重点实验室 上海 200092)

本文研究对象为用于检测中微子辐射信号的大型实验装置。实验厅位于地下700 m，形状为高44 m、直径43 m的圆柱体，其中心为直径为35.4 m的球形信号检测装置，球体外侧有一由17 510个光电倍增管(PMT)组成的辐射信号接收球壳，其工作期间会产生200 kW热量。为带走PMT产热，维持中心球体表面(21±1)℃恒温控制，保证实验装置高精度运行，故将实验厅充满超纯水，将球体浸没在水中，并配备小流量低流速水循环对实验厅进行降温。

低速流动换热多适用于高精度长期控温过程，由于粒子、液滴或气泡在流体中缓慢运动，其雷诺数均较低。这种低雷诺数流体流动问题在化工、环境工程、采矿、物理化学、生物力学、地球物理和气象学中均有应用。目前对低速流动的换热与参数影响主要通过理论与实验的方法进行研究。研究表明低流速下，通道结构和尺寸对传热影响较大，且通过换热实验可得到不同结构下的换热关系式与最优换热结构参数。P.D.Lobanov[1]研究了低流量下结构尺寸对传热的影响。N.R.Rosaguti等[2]研究了正弦通道的低雷诺数强化传热，发现随着雷诺数的增加，二次流结构对正弦几何流场的影响增大，换热增强。李晓丹等[3]研究了低流速下多通道结构参数与换热特性之间的关系，并得到了最优结构参数。除此之外，多种模拟研究手段也可应用于低流速换热问题，且与实验结果拟合较好。Xu J.H.等[4]研究了低中雷诺数下流体流动和传热特性，用有限体积法进行分析求解。帅勇等[5]采用低Re数k-ε模型，研究结晶器内流体参数对最终流场和温度场的影响。杨世鹏[6]对微通道换热建立了低流速流动的数学换热模型。通过调整入流参数进行腔体温度的均匀性改善，在暖通空调领域已有较多应用[7-8]。周艳蕊等[9]对空调房间进行建模与实验研究，发现空调器送风角度对空调房间流场和温度场影响较大，但送风速度影响不明显；Hu Xianglong等[10]利用CFD采用多目标算法，得出机舱的最优送风参数。而大型水体控温则更多采用热泵等设备进行换热控温，对水体流场扰动较大[11-13]。上述研究表明，低流速流动的参数特性对换热性能影响较大，且对于某些特定结构已有详细的计算分析模型。但当前研究多集中于小尺寸微环境的换热特性研究，采用参数优化对高大空间进行控温的研究较少。借鉴房间控温参数优化经验，通过调整入流参数对水体温度进行控制。

本文对高大水体恒温控制设计了一种两段式布水的小流量水循环系统。运用CFD方法对实验厅温度场进行计算，研究布水角度、上下布水水量比及热源发热量等参数对实验厅温度场的影响，为大型空间恒温水环境的设计提供参考。

1 数值模拟

1.1 物理模型

实验厅水循环结构如图1所示，直径为43 m、高为44 m的圆柱型实验厅，内含直径为35.4 m的球体，球体表面有发热量为200 kW的PMT球壳。控温水循环从实验厅上、下部同时送水，冲刷球体表面后穿过PMT区域带走其产热，最后从大厅中部流出。水循环上下布水器的水量分配比与布水角度可以调整。总进水量保持100 t/h，进水速度为0.2 m/s，进水温度为20 ℃。

图1 实验厅结构与水循环示意图

采用CFD模拟实验厅水循环温度场，分析调整布水参数对水体温度分布的影响。将PMT区域简化为多孔介质层与发热球壳层，并采用轴对称后的2D模型进行计算，2D模型结构图如图2所示。模型可分为3个区域：内水层A、PMT多孔介质层B、外水层C。中心球体表面(21±1)℃控温简化为内水层A的控温。

图2 2D模型结构

1.2 模拟方法

利用ANSYS Fluent软件进行模拟计算，用Meshing进行网格划分，全局网格尺寸为0.05 m，对布水口和发热层进行加密，并完成网格独立性检验。稳态计算，考虑重力，采用Realizablek-ε湍流模型，近壁面处采用增强壁面函数法处理；对于温差引起的浮升力，密度采用分段线性假设。边界条件如表1所示。

表1 边界条件

1.3 模拟可靠性验证

对布水角度90°、上下布水器水量分配比1∶1的工况，对比Standard、Realizable、RNG 3种湍流模型数值分析解，取靠近壁面的9个典型测温点，对比温度值，如图3所示。

图3 不同湍流模型计算结果

由图3可知，不同湍流模型模拟值较为相近，且偏差不超过3%。在水体低流速换热模拟研究中，通常采用Realizablek-ε湍流模型预测其流场和温度场分布[14-16]，因此，本文选择Realizablek-ε模型用于后续计算。

2 模拟结果

本文研究的布水参数包括布水角度和上下布水器水量分配比，分析仅单因素变化时水体的温度分布。为分析发热量增大时的温度扩散趋势，计算了发热量为200、260、300 kW三种工况，并将模拟结果与已有学者研究的理论公式计算值进行对比，验证模拟的正确性。

2.1 布水角度影响

布水角度指入水方向与模型轴线方向的夹角。调整布水角度为0°～75°，上下布水器的水量比为1∶1，其他条件不变，各布水角度下温度云图如图4所示。

图4 不同布水角度下模型截面温度云图

发热量相同条件下，不同布水角度的温度分布整体趋势一致。由于热水密度较小，高温区主要集中在C区上部，同时出水口与上布水器周围也存在较多热量堆积。布水角度为30°时，出水口温度为22.28 ℃，布水器顶部温度为22.69 ℃。水循环带走PMT运行产热，故出水经充分换热后温度较高。而上布水器顶部因存在换热死角，进水无法直接到达，出现热量堆积。布水角度较小时，进水充分冲刷中央有机玻璃球体，故内水层水温控制较好；布水角度过大则对玻璃球的冲刷不足，入水直接穿过多孔介质，不利于内水层温度保持。对比各布水角度下内水层最高温，均在21.75 ℃附近波动，小于22 ℃，符合控温要求。

增大控温精度，将内水层控温范围缩小至21 ℃，绘制不同布水角度α下内水层满足控温要求的面积Sin，21变化折线图，如图5所示。内水层温度低于21 ℃区域可根据位置分为上下布水口低温面积(Sup，21，Sdown，21)，且Sdown，21始终较大，即底部控温效果更好。这是由于低温流体密度较大，更易向下集中。Sup，21随α增大而小幅递增，最大增幅为20%。α较大时，在重力作用下入水呈抛物线分布，覆盖范围较大，而α越小，覆盖范围越小，低温区域就越小。Sdown，21在20 m2上下波动。Sin，21受Sdown，21影响较大，且当α为45°时，Sin，21最大，为32.1 m2。

图5 不同布水角度下内水层温度小于21 ℃的面积变化

2.2 水量分配比影响

上下布水器水量分配比指上布水器与下布水器出水量的比值，由于高温集中于实验厅上部，为降低水体垂直温差，故增大上布水器水量以实现均匀控温。布水角度为30°、45°，调整上下布水器的水量分配比为1∶1～4∶1，其他条件不变，各工况下温度云图如图6所示。

图6 不同水量分配比下温度云图

上下布水器水量比为1∶1时，由于热水上浮，水体顶部存在大范围热量堆积。增大上布水器水量，降温效果明显，上部高热区减小。与此同时，下布水器水量减少，水体下部出现局部高温。布水角度为45°时温度整体较30°低，即45°布水降温效果较好。

水体最高温度Tmax随水量分配比A的变化如图7所示。Tmax与A负相关，且降温速度随A的增大而减缓。A>1.5∶1时，45°布水的Tmax始终小于30°布水，与云图变化规律相符。模型整体温度低于22 ℃面积S22变化如图8所示。S22随A的增大而增大，当A=2.5∶1时达到峰值451.8 m2，之后稳定不变，即A=2.5∶1时的控温能力最强，且45°布水S22始终大于30°布水。

图7 水体最高温度随水量分配比的变化

图8 模型整体温度低于22 ℃面积随水量分配比的变化

图9 布水角度为45°内水层低温面积随水量分配比的变化

2.3 发热量影响

设置3种工况来研究增大发热量时温度扩散的情况。布水角度为0°，布水比为1∶1，发热量分别为200、260、300 kW下的温度云图如图10所示。

图10 不同发热量下温度云图

增大发热量，各区域温度均上升。布水器顶部温度始终较高，随着发热量增大，实验厅上部水体先被加热，后高温区逐渐向下扩散，模型下部低温区面积变小且向进水口附近移动，但下布水器进水区域始终为温度较低点。

图11 不同发热量下内水层温度低于22 ℃面积变化

2.4 计算结果验证

赵文萱等[14]对浸没发热球体冷冻水绕流作用下水体温度进行理论计算分析，得到了含内热源水体采用循环冷冻水控温时，水体最终稳定温度的表达式，如式(1)所示。

(1)

对于本文模型，ti=20 ℃，Qv=200 kW，dm/dt=100 t/h，计算可得t∞=21.72 ℃。不同布水角度下模型平均温度变化如图12所示。理论计算值较模拟结果偏大，因为理论公式中忽略了水热物性随温度的变化。模拟结果表明，不同布水角度下模型平均温度基本一致，即改变布水角度仅影响水体局部的温度分布，对模型整体换热量无影响。理论计算与模拟结果的误差值最大为0.55%，认为结果可接受，即模拟结果正确。

图12 不同布水角度下模型平均温度变化

3 结论

本文采用CFD模拟技术，对适用于高大水体精准控温的上下两段布水方式进行布水参数分析计算，研究布水角度、上下布水水量比及热源发热量等参数对水体温度场的影响，得到如下结论：

1)发热量为200 kW时，不同布水角度下内水层温度均低于22 ℃；布水角度对水体温度分布影响表现在内水层上布水口低温面积的变化，随布水角度的增大，上布水口低温面积也增大，最大增幅为20%；布水角度为45°时，内水层低温面积最大，为32.1 m2。

2)增大上下布水器水量比可有效降低水体温差，但随水量比增大，降温效果下降；布水比为1∶2.5时的控温能力最强，模型整体温度小于22 ℃面积达到451.8 m2；增大布水比降温最有效的区域是模型的多孔介质PMT层与外水层。

3)增大内热源发热量，内水层上下布水口低温面积变化幅度有差异，上布水口低温面积缩小41%，下布水口缩小62%，但下布水口低温面积始终大于上布水口。

本文受中央高校基本科研业务费专项资金项目(22120180567)资助。(The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.22120180567).)