基于数值模拟技术的低压损恒温混水器结构优化设计
摘 要：基于对现有混水器换热结构的数值研究，分析造成其出口温度波动大、压力损失高的原因，并在此基础上提出高效混水结构形式。数值研究结果显示：新型换热结构出口温度波动在±1℃以内，而系统压损没有显著降低。在考虑结构工艺性的同时，结合优化算法，提出一种多排短叶片混热方式，温度波动控制在±1.1℃，而压力损失降低超過50%。
关键词：混水器;数值模拟;多目标优化;温度波动;压力损失
《科技通报》由浙江省科学技术协会主办、《科技通报》编辑部编辑出版的含理、工、农、医等学科的自然学科综合类学术期刊。
引言
混水器是一种根据用户需要将定量冷热水均匀混合而实现恒温供水的设备。混水器高效混水使得水温调节时间大大缩短，从而显著的节省了在此过程中水资源的浪费;更重要的是，此过程中排出的水中携带大量热能，调节时间的缩短使得热能的利用率得到提升。随着能源意识的提升[1，2]，采暖供热系统、生产工艺过程、实验室、大型浴室等领域对恒温供水需求的不断增加，混水器产品不断受到市场的关注，市场前景广阔[3，4]。
由于能源结构和政策的调整，当前混水设备尚不能很好的满足市场对混水器高效恒温供水的要求。主要体现在：(1)供水温度波动大。在热水供应标准化的背景下，当前混热结构无法高效实现混水换热，通常采用混水结构串联或增大缓冲水箱等方式。增加了设备投入、占地面积，及系统复杂性。(2)压力损失大。通过简单的增加扰流结构，使得冷热水通过高压损结构，实现混热的同时造成了压力能的巨大损失[5]。本文基于数值模拟技术，在分析当前结构造成换热效率低、压损高原因的基础上提出结构改进方案，并通过多目标优化算法实现结构优化，最终在保证恒温输出稳定精度的同时，显著降低了压力损失，还缩小设备整体尺度为混水器改型升级提供了有效解决方案。
1 现有混水换热结构数值分析
如图1所示，为当前广泛采用的一种恒温混水器结构形式。一定压力的热水沿着顶部流入，冷水通过流量控制阀在一定压力下沿中部两个口注入。为使冷热水充分混合换热，设置缓冲水箱并在其中布置两级扰流叶片。混合水通过缓冲水箱端部出口流出。具体求解设置如下：
(1)入口边界条件。入口为质量流量入口，冷水两个入口流量均设置为1.6975kg/s，温度为5℃，湍流强度为5%，水力直径34mm;热水入口质量流量为2.16kg/s，温度为95℃，湍流强度为5%，水力直径为65mm。
(2)出口边界条件。出口为压力出口，设定出口相对压力为0。
(3)壁面条件。根据选定的湍流模型，把水流作为粘性流体来处理，所以在近表面处要使用无滑移条件和无渗透条件。
结合定常计算，RNG k-ε模型，动量方程及能量方程采用二阶应风格式离散[6]，收敛标准为各方程的残差均小于10-5。
图2中给出了原型混水器内部流线分布情况，流线的颜色反应流体流动速度的大小，冷色调表示速度较低，暖色调表示速度较高。图中可见，混水器内部流速较大的区域分别出现在冷热水相遇处，以及两级扰流叶片附近。冷热水相遇处速度最大接近5.3m/s。数值计算结果显示：混合过程冷热水压力损失均较大，冷水压损约33kPa，热水的压损约48kPa。由于较大压差的存在，降低了混水器节能降耗的作用，也使得混水器需配套冷热水加压设备使用，增加了系统复杂性，增加了设备投入。
图3中给出了原型混水器出口平面温度分布情况，图中温度单位为开尔文。左图显示暖色区域为高温区域，冷色区域为低温区域;右图通过温度等值线的方式给出了不同温度的分布区域。由图中可见，出口界面温度分布并不均匀。基于当前工况冷热水的入口温度及流量，理论出口温度为313.15K，数值结果显示出口温度约为313.15±4K。出口界面温度分布不均，且温差较大，不满足恒温供水要求。
2 新型混水换热结构数值分析
基于对原型混水结构问题的分析，本文提出一种基于螺旋线型叶片的混水换热结构。图4中给出新型混水器结构示意图。图中可见，冷热水通过内外嵌套的管路进入混水结构，内层为热水，外层为冷水。冷热水沿周向流动过程逐渐进入渐扩管。在中央隔板的阻隔作用下，冷熱水分别沿外侧及内侧并流进入预旋段，在此过程中，中央隔板持续起到冷热水热传导作用。预旋段由12片螺旋线型导流叶片组成，沿轴向流动的主流被导流叶片分为12道支流，并随着螺旋线旋向方向产生一定的周向分运动。在此过程中，中央隔板持续存在，使得冷热水分别独立加速旋转，并持续进行热传导。此后沿轴向，导流叶片及中间隔板同时去除，冷热水发生直接混合。由于支流内侧为热水，外侧为冷热，为进一步使其混合充分，在内外侧壁面上设置图中所示的扰流挡圈。内外层热水和冷水在混合过程中，由于若干层挡圈的存在使得外层冷水有向内侧流动的趋势，而内层热水有向外侧流动的趋势，进一步增进对流换热量。最终，混合水通过出口输出。#p#分页标题#e#
新型结构出口截面温度分布情况，如图5所示。图中可见，出口截面温度从312.4开尔文到314.2开尔文变化，右图等温线显示呈同心圆形，由内向外逐渐降低。
如图6中所示，为新型混水结构内混合过程流线分布情况。图中线条表示冷热水从入口到出口的流动换热过程，左图中流线反映了当地流动速度，右图流线反映了当地温度。图中可见，沿轴线流动的冷热水，在渐扩管道的引导下发生径向流动，且流速有所降低，在导流叶片的作用下发生加速周向旋转。进入自由混合段后，冷热水发生掺混并实现充分换热，流动速度进一步降低。伴随着扰流挡圈的限制，冷热水分别沿径向相向流动，实现高效对流换热。最后通过渐缩段，将混合水引导如下游区域。右图中流线反映了流动过程中液体温度的变化。从中可以发现，换热过程集中发生在自由混合区域，冷热水流经四个扰流挡圈后基本实现了混热过程，温度以处于±1摄氏度范围内。压力损失方面，采用新型扰流混合的方式冷热水混合压力损失相对较小，冷水压损约38kPa，热水的压损约44kPa。综上所述，内外并流混合换热方式是一种可行的换热结构。
3 新型混水换热结构的改进
由于细长叶片加工安装不便，本文设法结合工艺性及混水换热结构进行优化。优化目标是出口输出水温度波动，进出口压力损失(冷水压损及热水压损的平均值)。优化变量是螺旋线型叶片螺距，螺旋线圈数。优化过程如图7所示，优化开始后读入基本的优化控制参数：种群规模population，最大进化代数Mgen，交叉概率Pc，变异概率Pm，代沟Pg，常数ref=2.0，tas=1.0及各个优化变量的变化范围即给定优化问题的可行域。接着在可行域内随机的产生30个个体作为初始种群，对其逐一进行网格划分后进行流场数值计算(网格划分及流场计算均在Fluent商用CFD软件中进行)。将计算结果出口温度波动、进出口压损导入遗传算法内对个体进行评价及各种遗传操作。然后得到新一代的个体。此时判断是否满足收敛标准：若不满足收敛标准则新一代个体继续经过参数化、流场计算、遗传操作…等继续优化;若满足收敛标准则停止优化输出优化结果。
以出口温度波动和压损?驻p为优化目标优化混水换热结构叶片结构，进化三十代结束后，最终得到8个Pareto解，如表1中所列。由表1的优化结果可知，经过种群规模为30且经过30代的多目标优化，得到8个Pareto最优解。其中，针对个体8为例，其出口温度偏差仅约为±1.122℃，平均压损约为19KPa，相对于原型结构、射流混合结构、以及长叶片混热结构，其温度精度提升256.5%，1.9%，-19.7%，压损降低113.2%，436.8%，115.8%。由此可见，优化效果十分明显，在实际工程中可兼顾线性度偏差及测量压损从Pareto集中选择合适的个体作为最优解。结合实际情况，本文选择个体8，螺距为401mm，圈数为0.06圈，三排短叶片的新型混水换热结构。
4 结论
采用新改进型(短叶片)扰流混合的方式冷热水混合压力损失相对较小，冷水压损约16kPa，热水的压损约22kPa。对比原型混水结构、及长叶片结构压损实现了显著的降低;短叶片混合方式恒温输出水温偏差±1.1℃，略低于长叶片的换热性能，而压损性能及工艺性能得到了显著提升，综上所述短叶片混合换热方式是一种理想的换热结构。
参考文献：
[1]习近平.关于《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》的说明[J].共产党员(河北)，2015(27)：20-25.
[2]江泽民.对中国能源问题的思考[J].上海交通大学学报，2008(03)：345-359.
[3]潘玉泉，武晓东，肖士俊.高校学生浴池节水改造方案[J].河北水利水电技术，2002(06)：25-26.
[4]沈忠林.新型节水器材在浴池改造中的应用[J].中国高校后勤研究，2001(02)：70-71.
[5]田辉，王文成.基于TRIZ创新理论的新型恒温混水器结构设计[J].时代农机，2017，44(05)：106+108.
[6]曲云霞，王欢欢.混水器内部物理量场的数值模拟分析[J].山东建筑大学学报，2017，32(02)：111-117+124.