基于CFD的冷热水混合器设计

莫鹏飞　王旭

【摘 要】分析了决定冷热混合器性能的关键。构建了两种不同的混合器模型，并以RNC（renormalization group）k-ε为计算湍流模型，采取六面体非结构化网格划分整个流场。最终，计算出了两种方案的温度、压强分布。为后续的产品生产中的材料选择、工艺安排提供了理论依据。

【关键词】冷热混合器；模型；网格划分

冷热混合器，本质上是属于温水供应系统的机械设备。其运行的规律是，由一端通入冷水，另一端通入热水，二者在设备内部进行热交换以后，便流出温水供人使用。该设备内部是处于流场的运转状态，所以设计关键，在于其中的流态必须满足要求，即需要保证内部具有良好的流态。因此，流场的温度、压强、速度等状态必须合理。在工业设计中，流场的状态通常很复杂，且不呈现规律的趋势。故如何能保证其状态的良好性，是一个必须面对的问题。鉴此，通过构建了以平面法向流入和以平面切向流入两种不同三维混合器内部流场模型，对其进行流态仿真，得出了其中的温度、压力分布规律。以此为依据，选定了最优的设计方案，为产品后续的加工、生产奠定了基础。

1 混合器模型的构建

混合器的基本结构是：左右两侧进水管，混合容器，下部渐缩通道以及最终的等径流出管组成。由于两中混合器均由规则简易图形组合而成，故大部分三维建模软件都能很方便建模。但为了方便后续网格划分和便于使用FLUENT数值模拟[1]，采用Gambit建模[2]。

2 混合器的数值模拟计算

因为模型对水力性能要求较高。因此，在对模型的数值计算仿真中，精度的控制非常重要，所以对于计算中湍流模型的选择，拟选用目前在实际工程应用广泛，且计算精度很高的RNC（renormalization group）k-ε修正模型[3]，表达式为：

■+■=■（μ+■）■+G■-pε （1）

2.1 网格的划分

网格划分的实质，是针对已经构建好的模型，对其需要进行计算的区域展开离散的过程[4]。通常情况下，在流体机械的三维流场模型网格类型的定义中，均采用六面体非结构化网格，两种方案的混合器模型及网格划分情况分别如图1和图2所示。

图1 模型1网格划分 图2 模型2网格划分

2.2 边界条件的设定

边界条件的确定，是针对流场计算过程中的速度压力分布类型而言的，模型中那些代表模型边界的拓扑结构实体的物理特性和操作特性以及为边界命名，方便后续CFD软件对流体边界条件的补充设定。在该计算过程中，边界条件设定很简单，无论是模型1还是模型2，左右两管段的断面，均设定为速度进口，下方的管段断面，设定为自由出流，其余皆为壁面边界条件。

3 计算结果分析

混合器计算结果的后处理，本质是用一系列有限个离散点上的变量的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[5]并最终以图象显示。包括速度、温度、压强、流向等等。由于此处仅仅讨论压强与温度影响，所以此处仅讨论两中混合器温度与压强的对比关系。

3.1 计算结果的后处理

为了便于观察，取恒定X-Z平面为观察对象，即在X-Z平面上：模型1混合器的温度分布（图3）和模型2混合器的温度分布（图4）。

图3 模型1温度分布 图4 模型2温度分布

压力分布决定材料的选取和制造工艺，为了方便对比观察取和温度相同的观察平面。分别得出模型1和模型2的压力分布图，如图5和图6所示。

图5 模型1压力分布 图6 模型2压力分布

3.2 两种方案的计算结果分析

（1）由图3、图4所示，水流从进水管至出水管，无论模型1还是模型2，其温度变化趋势均是向着热量平衡的方向变化，即冷水方向逐渐升温，热水方向逐渐降温，最终达到热平衡。区别在于混合器的壁面上，模型1的壁面温差较小，模型2的壁面温差较大。

（2）由图5、图6所示，两混合器在压强分布上差别较大。在水流进水管中，平面法向流入混合器压强始终较大而且递减不明显且与进水温度有关；但在平面切向流入混合器中进水压强成对称递减且与温度影响较低。在混合器容器中，平面法向流入混合器压强始终较高，并且在下部渐缩通道低处有升压现象；但在平面切向流入混合器压强中却相对较低，在下部渐缩通道中下降到负压。在等径流出管中，平面法向流入混合器呈现出压强递减趋势，并最终减为负压；但在平面切向流入混合器中压强始终保持不变与下部渐缩通道一样始终为负压。

综上所诉，对温度要求控制较高的可以選择平面法向流入混合器，但在压强和材料成本要求较高的可以选择平面切向流入混合器，因为其内部和焊接处压强变化较小，从而可以减小容器的制作要求降低成本。

4 结论

为了讨论液体流向对混合影响，建立了平面法向流入混合器和平面切向流入混合器三维模型，并对其进流场CFD分（下转第174页）（上接第159页）析。模拟得出其流场温度，压强分布，得到不同的混合要求可以选择不同的混合模型。为模型设计选择提供了理论依据。

【参考文献】

[1]ANSYS Inc.FLUENT 612 UDF manual[M].South2pointe，USA：F：luentInc.，2005.

[2]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]王旭，张礼达.中小型混流式水轮机导水机构内部流场分析与研究[D].成都：西华大学2009.

[4]韩占忠.王敬.兰小平.FLUENT—流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[5]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[责任编辑：王春燕]