基于FLUENT的冷、热水混合器内三维流场数值模拟

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1、基于FLUENT的冷、热水混合器内三维流场数值模拟张闯1120100662【摘要】本文介绍了FLUENT软件的主要特点及其在冷热水混合器内的应用情况。通过运用FLUENT软件的标准 k-ε湍流模型对两种结构的冷、热水混合器模型进行三维数值模拟计算，分析其内部流场变化情况，通过模拟计算并对比两种模型的流场变化，能真实反映混合器内部的复杂流动，为混合器的设计和改进提供理论依据。 【关键词】FLUENT  冷、热水混合器  标准 k-ε湍流模型引言工程热水恒温混合器，是为适应中央热水工程向大型化、自动化和人性化发展的技术要求而研发的，是为太阳能热

2、水工程和各种生活热水供水系统专门配套的一种全自动洗浴水恒温控制设备。广泛适用于宾馆、饭店、学校、医院、厂矿、机关及洗浴中心、游泳池等大中小型生活热水系统。用户可以根据热水系统的用水量实际需要选择型号，并由用户自行调节设定洗浴水出水温度，高精度的实现洗浴水温度的自动控制。恒温混合器的工作原理：当热媒水与冷水同时在等压比下进入本机混合器进行冷热水混合，冷热混合后的应用水进入缓冲室。缓冲室的水温传感器将水温信号传输给温控装置，当缓冲室的水温比设定要求高（或低）时，温控装置对来自热水箱的热水和自来水（或冷水箱冷水）进行比例式控制，将热媒水和冷水控制

3、在适度流量状态，从而使输出水温达到设定要求，使系统用水保持在恒温状态。一、Fluent软件介绍FLUENT是美国FLUENT公司开发的集流场、燃烧和热、质量传输以及化学反应于一体的商业CFD软件,也是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。自其上市以来,在全球众多的CFD软件开发研究厂商中,FLUENT软件占有最大的市场份额。独特的优点使FLUENT在水利船舶、材料加工、燃料电池、航空航天、旋转机械、噪声污染、核能与动力等方面均有广泛应用。FLUENT软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件Gambit模块,并可以与CAD连接使用,同时备

4、有很多附加条件和附加方程添加接口，使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术,如多层网格法、快速收敛准则以及光滑残差法等,数学模型的离散化和软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现,该软件在模拟单相流动或进出口同向或反向流动时，可以得到较好的模拟计算结果,且具有一定的计算精度。FLUENT软件包主要具有常用的6种湍流数学模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模型、相变模型、离散相模型、多相模型、流团移动模型、多孔介质、多孔泵模型等。FLUENT软件的核心部分是纳维—斯托克斯(Navier-Stokes)方程组的求解模

5、块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法,包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO三种算法，采用有限体积法离散方程,其计算精度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法。而对可压缩流动采用耦合法,即将连续性方程、动量方程以及能量方程联立求解。FLUENT软件主要由前处理、求解器以及后处理3大模块组成。采用自行研发的GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格,然后由FLUENT进行求解。二、k-ε模型的原理和应用本文主要分析冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平方向流入（一种方案是冷热水都从水平切线方向流入，一种是热水从水平径向方向流入

6、，冷水从切线方向流入），在容器内混合后经过下部渐缩管道流入等径的出流管，最后流入大气，该问题是三维的流动问题k-ε模型的原理；k-ε模型是两方程湍流模型中最具代表性的，同时也是工程中应用最为普遍的模式。湍流被称为经典力学的最后难题，原因在于湍流场通常是一个复杂的非定常、非线性动力学系统，流场中充满着各种大小不同的涡结构。整个湍流场的特性都取决于这些涡结构的不断产生、发展和消亡，同时这些涡结构之间又不断发生着复杂的相互作用，这就使得对湍流现象的理解、描述和控制变得十分困难。对于单相流动，科学界已经有较为成熟的湍流封闭模型。k-ε模型包括RNG

7、k-ε模型和标准k-ε模型等，下面简要介绍一下标准k-ε模型。标准k-ε模型双方程模型把紊流粘性与紊动能和耗散率kε相联系，建立起它们与涡粘性的关系，这种模型在工程上被广泛采纳。ε−k双方程模型是由英国帝国学院Spalding教授领导的研究小组于1974年提出的，后来被应用界广泛采纳。k-ε模型假设湍流粘性和湍动能及耗散率有关，标准的k-ε方程形式为：+=p-ε+[(μ+)]+=-+[(μ+)]=其中，k，ε分别为湍动能和湍流耗散率，为湍动能生成项，为湍流粘性系数，模型常数分别为：=1.44，=1.92，=1.3，=1.0，=0.09几何建

8、模计算网格生成是计算流体力学和其他数值模拟技术的一个重要组成部分，是促进CFD工程使用化的一个重要因素。网格生成过程就是把一个给定的区域(或几何体)分解成有限单元，以便使偏微分方