金晓群
华信咨询设计研究院有限公司 浙江省杭州市 310051
摘要：蓄冷技术通过介质状态变化过程中的显热、潜热或化学反应热来进行冷量存储和释放。其中水蓄冷技术利用水的显热进行冷量存储，系统结构简单，取冷速率快，工程中应用较多。本文设计了一种布水器，进行水蓄冷模拟计算，发现设计的不足并进行了优化;搭建了水蓄冷实验平台，通过实验验证了数值模拟结果。
关键词：蓄冷水箱；水箱；动态
1水蓄冷评价指标
1.1 布水器扰流度
定义布水器扰流度为布水器下游0.01 m处水平断面上各点流速的不均匀度，计算式为
.png)
式中s为布水器扰流度;N为水平断面内所有点的个数;vi为水平断面内第i个点的速度，m/s;vv-为该水平断面平均流速，m/s。
1.2 斜温层体积
蓄冷时，低温水进入水箱，置换高温水，置换界面之间存在8 ℃温差。低温水与高温水在界面处产生换热，形成了中间温度的过渡层，该过渡层称为斜温层。斜温层体积百分比是生成斜温层的体积占水箱容积的百分比，是水蓄冷性能的重要评价指标。本文采用量纲一温度θ确定斜温层体积的上下界限，θ的计算式为
.png)
式中 t为斜温层内某点温度，℃;tc为水箱入口温度，℃;tH为蓄冷水箱初始温度，℃。
θ=0～1，低温水侧为0，高温水侧为1，定义θ=0.15～0.85的区域为斜温层，斜温层体积占水箱容积的70%。斜温层无法作为有效冷源加以利用，因此在布水器和蓄冷水箱的设计上，应减少界面之间的换热，减小斜温层的体积。
2布水器数值模拟研究
2.1 建立模型
利用Gambit软件建立长方体水箱模型，模型的尺寸为0.6 m×0.6 m×3.6 m。本文模拟设置该布水器的蓄冷水箱在不同断面平均流速下温度的动态变化，分别设置断面平均流速为0.50，0.67，1.00，2.00 mm/s。断面平均流速为蓄冷水箱高度与蓄冷时间的比值，是水蓄冷斜温层的重要影响因素。
.png)
式中v为水箱断面平均流速，mm/s;Y为蓄冷水箱高度，m;τ为蓄冷时间，s。
布水器和水箱模型采用四面体结构进行网格划分，网格边长设为0.01 m，水箱部分网格边长设为0.05 m。设定求解环境为基于压力瞬态求解过程，模型环境设置自由落体加速度为-9.8 m/s2。将模型简化为与外界无换热，壁面光滑且无摩擦。
2.2 模拟结果分析
采用不同的水箱断面平均流速进行数值模拟，通过不同工况下的模拟计算得到水箱不同高度的温度分布、温度分布随时间的变化情况、布水器出口断面平均流速分布及布水器内部流速分布。
2.2.1 温度分布及斜温层模拟分析
释冷过程中，由于高温水密度小、蓄冷水箱内高密度低温水惯性大，布水器出口处高温水对低温水造成的冲击影响较小。释冷时间比蓄冷时间短，是由于重力对于高温水及低温水的流动影响，重力导致断面平均流速略高于蓄冷过程中水箱内部流速，导致水流扰动加强，破坏斜温层的稳定性。2种因素共同作用，重力引起的斜温层增加的影响较大。
2.2.2 布水器出口断面平均流速分布及布水器内部流速分布
1) 布水器出口断面平均流速分布。
由于布水器高度为0.15m，故将蓄冷过程断面高度0.16m设置为布水器出口流速分布的参考平面，释冷过程断面高度3.44 m设置为布水器出口流速分布的参考平面。蓄冷过程中，在x=0m处为流速的高峰，高于其他位置的出口流速；释冷过程中，在布水器0.3m边界位置流速均方差较大，流速的不均匀性加强了水流之间的扰动。
2) 布水器内部流速分布。
以蓄冷过程中水箱断面平均流速0.50 mm/s工况为例，分析布水器内部流速分布情况。
2.3 优化后布水器数值模拟分析
针对布水器内部结构的优化，可有效提高布水器出口流速的均匀性，减少进水对蓄冷水箱内部的扰流作用，提高进水流动的稳定性。
2.3.1 布水器优化方案
1) 对布水器支管出水口孔径进行优化，可以减少水流在支管出水口(0.2 m，0 m，0.13 m)和(-0.2 m，0 m，0.13 m)位置的扰动。
2) 对布水器上部格栅出水口布局进行优化，进一步消除蓄冷水箱底部水流的不均匀度。
2.3.2 优化前后布水器流动状态对比
1) 布水器扰流度对比。
可以发现，优化后布水器出口流速更加均匀，与优化前布水器出口平均流速一致。蓄冷过程中，在断面平均流速为2.00 mm/s时，优化后布水器扰流度比优化前小16.03%;在断面平均流速为1.00 mm/s时，布水器扰流度减小26.63%;在断面平均流速0.67 mm/s时，扰流度减小18.30%;在断面平均流速0.50 mm/s时，扰流度减小29.09%。释冷过程中，在断面平均流速为2.00 mm/s时，布水器扰流度比优化前小22.56%;在断面平均流速为1.00 mm/s时，布水器扰流度减小16.38%;在断面平均流速为0.67 mm/s时，布水器扰流度减小20.26%;在断面平均流速为0.50 mm/s时，布水器扰流度减小12.78%。优化后速度分布均匀性得到明显提升。
通过优化布水器结构(优化布水器孔径尺寸和出水口布局)，速度均匀性有明显提升，有利于蓄冷水箱得到更好的温度分层。
2) 布水器内部流速对比。
以蓄冷过程中断面平均流速0.50 mm/s为例，分析优化后布水器内部流速分布情况。
3实验研究
3.1 实验目的
以测试布水器的性能为目的，根据优化后布水器结构制作产品模型，搭建水蓄冷实验平台，将实验数据与数值模拟结果进行对比分析，验证CFD模拟结果。
3.2 水蓄冷实验系统及设备
水蓄冷实验系统蓄冷过程和释冷过程的原理系统分为3个部分:冷热源系统、蓄冷系统及数据采集系统。主要由水箱、空气源热泵机组、蓄冷水泵、数据采集仪、Pt100热电阻传感器等组成。
3.3 温度实验数据与数值模拟结果对比
实验开始时将水箱内充满4 ℃或12 ℃初始温度的水，通过调节阀门对冷热源侧管路进行预冷或预热，当冷热源侧管路满足进水温度要求后，调节阀门，将水流引进水箱。
设置相同的水箱体型、容积及蓄冷温差，采用不同的断面平均流速分别进行实验，验证数值模拟结果。
由于水蓄冷实验中Pt100热电阻传感器存在误差，同一时刻实验数据中水箱温度梯度大于数值模拟数据，斜温层体积小于数值模拟中的斜温层体积。实验数据与模拟数据在蓄冷工况时最大偏差为11.75%，在释冷工况时最大偏差为7.36%，实验与模拟数据的偏差均小于15%。
实验数据与模拟数据的最大偏差在允许偏差范围内，证明利用模拟数据研究布水器性能的准确度较高，可作为参考，优化布水器，以实现更好的布水性能。
4结论
1) 根据布水器出口断面平均流速分布及布水器内部流动状态的模拟结果进行优化，优化后布水器扰流度在不同断面平均流速下均显著减小;蓄冷过程扰流度最大减小29.09%，释冷过程扰流度最大减小20.26%，布水器及水箱内流动均匀性明显提升。
2) 对布水器优化前后水箱斜温层体积进行对比分析，在任一工况下，斜温层体积增长速率减小，各断面平均流速下最大斜温层体积均明显减小:蓄冷过程中，斜温层体积最大减小28.23%，释冷过程中，斜温层体积最大减小33.33%，有效提高了水箱有效蓄冷及释冷利用率。
3) 依据优化后的布水器结构制作产品模型，搭建实验台，蓄冷和释冷动态性能实验结果显示:实际流动状态与模拟结果相似，水箱温度分布的动态变化过程与模拟结果相似，蓄冷过程中最大偏差为11.75%;释冷过程中最大偏差为7.36%，表明模拟结果具有较高准确性。
4) 数值模拟与实验结果表明，优化后布水器在不同断面平均流速下扰流度均明显减小，蓄冷水箱内流动更加均匀，斜温层体积在任一工况下均有效减小，水箱有效蓄冷及释冷利用率提高，证明布水器结构设计有效。
参考文献
[1]赵庆珠.蓄冷技术与系统设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2012:3
[2]黄丽.温度分层型水蓄冷槽的模拟及理论研究[D].武汉:武汉科技大学，2010:8- 58