基于Fluent的恒温混水阀压力平衡特性研究

齐保良杨秀芝汪晴晴

(山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101)

0 引言

太阳能热水器是日常生活中必不可少的加热装置，出水温度的稳定性控制是满足洗浴舒适性的关键，而混水阀是决定其性能高低的关键部件。目前，常用的混水阀有手动调节与热传感器混水阀两大类。其中，手动调节混水阀结构简单，但在压差较大时会造成出水温度调节困难，若进入混水阀的冷水较热水压力大，会经常出现冷水通过混水阀流入热水器的串水现象以及出水温度不能及时调节到所需温度等情况，并且调节过程长还会造成水力资源的浪费。而热传感器恒温阀本质上是一种机械式恒温阀，其内部结构复杂，连接和密封的部分较多而容易造成漏水，且使用寿命低[1-2]。

BIGLIARDI等[3]和王金海等[4]采用计算流体动力学软件Fluent对压力调节阀进行模拟仿真，研究了对阀门流量特性影响的因素；WU等[5]采用Fluent模拟仿真了汽车供油系统中的压力调节阀，得到了压力调节阀的流量随压力变化的曲线。随着计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的发展，其优越性越加凸显，已广泛应用于调节阀内部流场的研究，为调节阀结构设计优化带来了很大的便捷，但有关太阳能热水器混水阀在水压变化情况下瞬态流场问题的研究相对较少，因此对太阳能热水器混水阀瞬态流场的研究具有较大意义和价值。

文章在研究传统太阳能热水器混水阀的基础上，设计改进了太阳能热水器混水阀机械结构，以期能够解决混水阀出水温度调节困难的问题，实现水温的精确控制；采用Fluent平台对改进混水阀压力平衡特性进行数值模拟研究，并从流体动力学方面验证混水阀的效果。

1 太阳能热水器恒温混水阀的结构设计及其工作原理

1.1 太阳能热水器恒温混水阀的结构

文章设计的太阳能热水器恒温混水阀是在传统混水阀的基础上增加了水压平衡单元，其主要由橡胶塞、连杆、波纹膜片等构成。恒温混水阀剖面图如图1所示，波纹膜片将恒温混水阀冷热水腔室隔开，其一个边界与阀芯连接，其余边界则与冷热水腔交界处的阀体壁面连接，波纹膜片与阀芯、阀体接触的部分均使用密封胶垫密封。波纹膜片与带橡胶塞的连杆连接，构成了水压平衡单元。

设计水压平衡单元结构时，热水侧橡胶塞位于热水进水管与热水腔连接口左侧，且橡胶塞右侧面与热水进水管的管壁相切；冷水侧橡胶塞与热水侧对称设计。当冷水或热水突然中断时，为了确保橡胶塞完全阻塞水管，橡胶塞厚度需要稍大于进水管的直径，同时考虑到橡胶塞随波纹膜片运动的灵敏度需求，将橡胶塞厚度设置为进水管直径的1.2倍。

1.2 太阳能热水器恒温混水阀的工作原理

热水进水管水压不变，当冷水进水管水压变大时，冷水进入冷水腔的流量增加，此时波纹膜片受压变形，通过连杆带动橡胶塞向热水腔侧运动，从而使冷水进水口流量减少，保证流量与冷水压变化之前冷水进入冷水腔的流量一致，从而平衡冷热水水压；同样地，当冷水进水管水压变小时，连杆随波纹膜片受压变形带动橡胶塞向冷水腔侧运动，使热水流量减少，从而平衡冷热水压力。若冷水进水管压力为零时，在热水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间移动到极限位置，阻塞热水进水管，避免烫伤；若热水突然中断，在冷水端压力下，波纹膜片会带动橡胶塞瞬间阻塞冷水进水管，切断冷水，避免冷激。

图1 太阳能热水器恒温混水阀整体外观结构及其剖面图

当冷水或者热水压力变化时，为了能及时改变冷、热水进水口的流量，设计冷热水侧的橡胶塞侧面与进水管的管壁为“相切”结构，其工作原理为:当冷水压力增大的瞬间，波纹膜片将带动连杆将橡胶塞向热水侧移动，冷水侧的橡胶塞与进水管的管壁“相切”能更及时更大限度地缩小冷水进水口直径，减少冷水的流量；由于热水侧橡胶塞在热水进水管口的左侧，向热水侧的移动不会改变热水进水口大小与流量。因此，此结构能够自动调节冷水端压力变大时冷水的流量，从而维持出水温度的稳定性。

2 基于Fluent的恒温混水阀压力平衡特性分析方法

文章基于Fluent与前处理软件ICEM CFD进行平衡分析，ICEM CFD为与Fluent配套的网格划分软件，允许用户对网格进行修改(粗化/细化)，使模拟流动、湍流的能力与实际情况更接近[6]。

2.1 恒温混水阀波纹膜片的设计与计算

2.1.1 波纹膜片的选择

影响波纹膜片特性的因素主要为膜片波纹深度、膜片厚度、材料力学性能等[7-8]。在选择波纹膜片时要依次确定波纹膜片型面和厚度。波纹膜片有三角形、梯形、正弦等波纹形状，正弦纹波性能比梯形波纹性能好，而次于锯齿纹波性能。但是在锯齿波纹成形时，对波纹膜片拉伸比较大，存在应力集中的情况，并且波纹膜片在混水腔中承受交变力作用[9]，因此，为延长混水阀使用寿命，文章将波纹膜片型面制作成跨距大、高度小的正弦波纹。

波纹膜片刚度与厚度成正比，但是硬度过高会使膜片易受疲劳损伤，而厚度过小则机械强度过小，不能满足恒温混水阀耐压强度要求[10-11]。具体波纹膜片厚度选择可通过Fluent仿真平台数值模拟波纹膜片在恒温混水阀中的受力情况。

2.1.2 基于Fluent仿真平台的波纹膜片挠度分析计算

(1)波纹膜片边界条件的设定与参考点的布置

恒温混水阀水腔内水压力随冷水进水管压力不断变化，导致水腔内部水流情况较为复杂，在Fluent软件进行模型求解的过程中，选择压强作为波纹膜片的边界条件，其余边界条件见表1。对冷水水压波动所引起的波纹膜片表面压力分布情况进行数值模拟，波纹膜片上距离波纹膜片中心10 mm处的点所受的压差最大，最能反映波纹膜片的耐压情况，选此为参考点进行数据观察。

表1 边界条件表

(2)波纹膜片挠度的分析计算

波纹膜片边界与恒温混水阀冷热水腔交界处内壁连接，波纹膜片实际承受压力是冷热水腔内压力差。自来水压力为0.1～0.6 MPa，通常取0.3 MPa。太阳能热水器热水压力一般为0.05～0.6 MPa，＞0.6 MPa水压的用户一般需要安装减压阀[12]，因此太阳能热水器混水阀冷热水两侧的压差为0～0.6 MPa。在Fluent软件对波纹膜片进行模型求解时，考虑到安全裕度因素，选择0.05～1 MPa作为模拟波纹膜片所承受的冷热水压力差，对波纹膜片周边增加固定约束，在其两侧增加轴对称约束。

根据设置的边界条件进行迭代计算，并将求解得到的数据导入到函数绘图软件Origin软件进行数据处理，描绘出参考点处(距离波纹膜片中心10 mm)不同厚度的波纹膜片压强—挠度曲线，结果如图2所示。

图2 参考点处不同厚度波纹膜片的压强—挠度曲线图

由图2可知，在相同压力点下，随着波纹膜片厚度增加，挠度逐渐降低。在满足机械强度要求的前提下，纹波膜片厚度越薄，随着冷热水压差的变化反应越灵敏，更有利于拉动连杆、带动橡胶塞随波纹膜片的形变而移动。厚度为0.2～0.5 mm的波纹膜片均能够承受0.05～1 MPa的压力，可以满足恒温混水阀内冷热水压差为0～0.6 MPa时的机械强度要求，但是在满足机械强度要求的前提下，波纹膜片厚度应选择较小值为宜。因此，文章选择厚度为0.2 mm的波纹膜片进行数值模拟计算。

2.2 恒温混水阀计算模型的建立

标准k-ɛ双方程[13]为工程实际中最常用的湍流模型，其在湍流动能方程的基础上引入一个关于湍流动能耗散率的方程。湍流动能k及耗散率ɛ的微分方程分别由式(1)和(2)表示为

式中ρ为流体密度，kg/m3；k为湍流动能，k＝ui＋为湍流黏度为流体动力黏度，Pa·s；σk为湍流动能对应的普朗特系数，在Fluent软件中默认值为1.0；Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能，J；ε为湍流耗散率，ε＝ui＋为湍流动耗散率所对应的普朗特系数，在Fluent软件中默认值为1.3；C1ε、C2ε为经验常数，在Fluent中默认值为C1ε＝1.44、C2ε＝1.92；Cμ为经验常数，Cμ＝0.09。

雷诺数Re为表征流体流动情况的无量纲数，其计算公式由式(3)[14]表示为

式中v为流场的特征速度，m/s；L为流场的特征长度，m。

参考曼德束MSJC混水阀的技术参数(出水口流量4 m3/h、通径DN25等)，变量取值为ρ＝1 000 kg/m3、μ＝0.001 Pa·s、v＝2.27 m/s。由式(3)计算出雷诺数为227 000。已知雷诺数＞10 000数量级为湍流，在Fluent软件进行模型求解的过程中，应该选择处理湍流的标准k-ɛ双方程为计算模型。

3 基于Fluent的恒温混水阀模拟仿真结果分析

Fluent软件对恒温混水阀的模拟仿真与对波纹膜片的处理相同，在此不再赘述。实验中通过转动混水阀手柄调节冷热水混合比来调节出水温度，恒温混水阀的仿真结果主要通过静压力云图与速度矢量图进行描述，如图3所示。图中的不同颜色分别代表了压强与流速的大小[15]，其值与光谱波长成正比，按红橙黄绿青蓝等颜色顺序而逐渐减小。

(1)冷热水进水压力相同时恒温混水阀仿真结果分析

由图3(a)可知，冷热水两侧的光谱波长呈中心轴对称分布，表明冷热水两侧的压强对应相同。由图3(b)可知，冷热水两侧的光谱波长亦呈中心轴对称分布，表明冷热水侧的水流速度对应相同。

图3 冷热水进水压力相同时恒温混水阀仿真结果图

(2)冷水进水压力＞热水进水压力时恒温混水阀的仿真结果分析

由图4(a)可知，冷水侧的光谱波长大于热水侧相对位置的光谱波长，表明冷水侧的水压力大于热水侧对应位置的水压力；波纹膜片向热水侧弯曲变形，混合出水口处冷热水对应位置的光谱波长相同，表明在混合出水口处冷热水对应位置的压力相同。由图4(b)可知，波纹膜片发生形变，混合出水口处冷热水对应位置的光谱波长相同，表明在混合出水口处冷热水对应位置的水流流速相同。

图4 冷水进水压力＞热水进水压力时恒温混水阀的仿真结果图

(3)冷水进水压力＜热水进水压力时恒温混水阀的仿真结果分析

由图5可知，冷水侧的光谱波长小于热水侧相对位置的光谱波长，波纹膜片向冷水侧弯曲变形，但在混合出水口处冷热水对应位置的光谱波长相同，表明在混合出水口处冷热水对应位置的压力和水流流速都相同。

图5 冷水进水压力＜热水进水压力时恒温混水阀的仿真结果图

(4)与传统混水阀的仿真结果对比

当冷水水压变化时，混水阀混合出水口处平均水压随冷水水压的变化而变化。由图6可知，当冷水进水口压力变化时，改进混水阀出水口冷热水两侧截面平均压强发生突变，由于水压平衡单元的调节作用，使混合出水口截面处冷热水两侧平均压强相同。而没有水压平衡单元调节作用的传统混水阀，与改进混水阀对应截面区域侧的平均压强不同，且与改进混水阀相对应的截面区域冷热水两侧压强波动规律不同，使出水温度随冷水进水口水压的变化而波动。

图6 混水阀出水口处冷热水两侧截面平均压强曲线图

根据表1设置的边界条件进行求解，当热水和冷水进水温度设置在78.85、26.85℃时，迭代大约160次后，混水阀混合出水口截面平均温度检测曲线如图7所示。由此图可知，当冷水进水口压力变大时，混水阀出水口截面平均水温突然下降，但经过水压平衡单元的调节，混水阀出水温度快速达到理想的稳定状态，其值约稳定为38.5℃。

图7 改进混水阀出水口截面平均温度检测曲线图

综上所述，当冷热水进水压力相同时，混水阀冷热水两侧对应位置的压强和水流速度相同。通过转动混水阀手柄调节冷热水混合比，调节出水温度。当冷热水进水压力不同时，通过水压平衡单元平衡冷热水腔内的水压可以解决混水阀出水温度随外界水压变化而变化的问题。

4 结论

文章设计了一种新型结构的太阳能热水器恒温混水阀，借助Fluent仿真平台对改进恒温混水阀进行了流场的数值模拟仿真，通过静压力云图、速度矢量图和混水阀出水口截面平均温度检测曲线分析，可以得到如下结论:

(1)当冷热水进水压力不相同时，水压平衡单元可以平衡冷热水水腔内的水压，保证冷水流量与冷水压力变化前一致，即保证冷水流量不变。

(2)在热、冷水入口温度分别为76.85、26.85℃的情况下，当冷水压力变大时，改进混水阀能使出水温度快速调节到理想的稳定状态，该稳定值约为38.5℃。