贾丹
武汉地铁集团有限公司 湖北武汉 430000
摘要：本论文以太阳能热水系统中的蓄热水箱为研究对象，利用Fluent软件在非稳态条件下对圆柱形蓄热内部冷热水的温度分层情况进行模拟计算。为了提高蓄热水箱的蓄热效率，改变水箱的形状和水箱的热水入口水温，利用软件模拟后分别得到各水箱内的温度分布云图，经过对比分析，发现当形状改变时，圆台形蓄热水箱更有利于水箱的温度分层；当水箱的入口流速改变时，发现当入口流速为0.06m/s时水箱内的温度分层效果较好。
关键词：太阳能；高原环境；蓄热水箱；Fluent软件；温度分层
第一章 太阳能蓄热系统介绍
1.1太阳能蓄热系统的组成及工作过程
太阳能蓄热水箱分为单罐式和双罐式，由于单罐式占地面积小，便于管理操作，因此本文以单罐式蓄热水箱为研究对象。蓄热水箱的工作过程可分三个阶段，储热阶段、保温阶段、放热阶段。第一阶段即储热阶段:当太阳能蓄热系统开始工作的时候，水箱内部为充满冷水，在泵的作用下，冷水从靠近水箱一侧的管子流到集热器，经过太阳能加热后，从集热器中流出的高温水从靠近水箱一侧顶部的管子流入水箱，由于高温水较低温水密度低，因此，高温水在水箱上部，低温水在水箱下部，随着水箱中的冷水源源不断的被送往太阳能集热器中加热，从靠近水箱上部的入口中流入水箱中的热水不断增多，水箱上部的热水区域逐渐扩大并向下移动，高温水区域不断扩大，低温水区域逐渐缩小，当第一阶段即储热阶段结束的时候，水箱中充满高温水。第二阶段即保温阶段:随着水箱内的高温水量的不断增多，水箱内最终充满高温水，由于温度较高的水密度较低温水的密度低，因此高温水会聚集在水箱上部靠近热水出口的地方，从水箱的上部到水箱底部，水温逐渐降低，冷热水接触时会发生掺混，由于工作过程中冷水入口和热水入口的温度及流速的不同，导致冷热水发生掺混的程度不同，因此，在保温阶段，水箱内部会形成高温区，中温区，低温区，并出现热分层［1］现象。
第二章 蓄热水箱结构设计基础
2.1 FLUENT软件介绍
FLUENT软件由三部分组成，包括前处理软件、求解器软件、后处理器软件，其中GAMBIT是FLUENT专用的前处理器，其网格划分具有多样性和灵活性，可对网格进行细分和粗分，生成滑动或着可变网格。前处理软件用于建立多种几何模型和网格的划分。GAMBIT的网格划分技术和几何模型建立的技术都比较先进，具有操作灵活、易于控制和修改的特点。
2.2 蓄热水箱的模型
Altuntop［2］等人通过对水箱内不同的隔板安置方式的研究，得到了热水利用率最高时的隔板安置形式。本论文中的水箱采用该种形式的隔板，以水箱内的流体为研究对象，利用FLUENT软键建立一个非稳态太阳能蓄热水箱，水箱的高度为1.5m,直径为1m，循环管直径为20mm。
本论文中水箱的壁面不考虑传热引起的热量流失，即水箱的壁面都是绝热的，水箱内冷水和热水的流动状态及温度分层是研究的重点。
2.3 模拟计算
本论文中研究的圆柱形蓄热水箱的入口管径为20mm，水箱容积为1.1775m3。流体的流动状态根据雷诺数来判断，雷诺数［3］做为流体流态的判别准则，其定义式如下：
Re= vd/μ
Re 雷诺数；
V 入口流速；
μ 流体的动力粘度；
雷诺数Re均大于12000，故为湍流模型，在模拟计算过程中选择k-epslion(2eqn)湍流模型。
对建立好的圆柱形水箱进行模拟计算，由于FLUENT 中默认设置的材料为空气，而论文中研究的对象为水，因此需要将默认设置的材料改为水。将冷水出口和热水出口设置为自然出流，冷水入口的温度设为303.5k，入口流速设为1m/s，热水入口的温度设为330.5k，入口流速设为0.02m/s，通过利用软件模拟，观察水箱内部的温度分层现象及水箱的热水出口水温。
在迭代计算前，时间步长的长短将直接影响计算结果的精确性，为了保证计算结果的准确性，本论文中时间步长设定为0.5s，为了保证计算曲线的收敛性，将计算时间设为3600s，经过模拟计算，发现最终的计算曲线收敛，蓄热水箱内的温度分布云图，计算结果如下：
.png)
第三章 圆台形水箱的优化设计
3.1 圆台形蓄热水箱模型的建立
在蓄热水箱蓄水容积不变的前提下，改变水箱的形状，对水箱进行优化设计，建立圆台形蓄热水箱模型，水箱内隔板的安装位置及隔板形状不变，水箱的上底边和下底边分别为0.57m，1m，水箱高度为1.5m。模型建立后对水箱进行网格划分，网格形状选择三棱柱形，网格尺寸为0.3cm。
为了对水箱形状多样化研究，建立倒立的圆台形蓄热水箱模型，水箱的上底边和下底边长度分别为1m和0.57m，水箱高度为1.5m。水箱建立的前提依然是蓄水容积不变，水箱内隔板的安装位置不变，网格形状及网格尺寸不变。
3.2 圆台形蓄热水箱的模拟计算
新建立的两种水箱模型模拟计算过程参数设置按照圆柱形蓄水箱，选择3D非稳态模型，两种水箱在边界条件设置时冷水入口inlet 1水温均设为303.5k，水流速度设为1m/s,热水入口inlet 2水温设为330.5k，水流速度为0.02m/s，水箱的初始温度均为320k。迭计算时间步长设为0.5s，Number of Time Steps都为3600s，进行计算 ，FLUENT中计算结果如下：
.png)
3.3 水箱入口流速的改变对水箱内温度分层的影响
在圆柱形蓄热水箱的其他条件均不改变的情况下，将热水入口inlet 2的流速改变，图a中水箱的热水入口流速为0.02m/s，为了研究入口流速对水箱内温度分层的影响，将热水入口的流速增大，把inlet 2的速度值分别设为0.06m/s和1m/s进行模拟计算，得到水箱内部的温度分层图如下：
.png)
第四章 结论
针对高原地区太阳能资源十分丰富的特点，本文利用FLUENT软件，以常用的圆柱形蓄热水箱作为研究的基础，设计出了一个太阳能热水系统中的蓄热水箱，并对该区太阳能蓄热水箱内的热分层现象做了模拟计算，为了提高太阳能热水系统中蓄热水箱的蓄热性能，又对该水箱的形状和热水入口流速做出改变，通过利用软件模拟，发现在改变形状或入口流速之后，蓄热水箱内的温度分布状况明显得多改变。
当改变水箱的热水入口流速之后，经过利用软件的模拟计算，发现当水箱的热水入口流速为0.06m/s的蓄热水箱内的温度分布效果更好，水箱的热水出口温度明显提高，水箱对热水的利用效率得到提高。
参考文献
［1］S．levers,W Lin.Numerical simulation of three-dimensional flow dynamics in a hot water storage tank［J］ Applied Energy,2009.86:2604-2614
［2］Necdet Altuntop, Mevlut Arslan, Veysel Ozceyhan , Mehmet Kanoglu , Effect of obstacles on thermal stratification in hot water storage tanks, Applied Thermal Engineering 25 (2005) 2285–229
［3］蔡增基，龙天渝，等.流体力学泵与风机（第五版）［M］.北京:中国建筑工业出版社,2009