首页/文章/ 详情

FLUENT电热水器模拟

1年前浏览1085

正文共: 2129字 10图    预计阅读时间: 6分钟


1 前言

电热水器有一个非常重要的性能指标叫做24h固有能耗系数,指的是在热水器不进水不出水的条件下,将水温维持在设置温度所需的能量与固有能耗基准值的比值,比值越低,节能效果越好。24h固有能耗系数通常按照国标中(GB21519)的测试标准,通过样机实验测定而获得,产品开发周期长且耗资巨大[1]。采用CFD方法是一个非常不错的选择,今天我们用一个简单的案例来演示一下。

2 建模与网格

创建如下的二维平面模型,该计算域是一个封闭的四边形,中间适当位置有一个固体加热棒。划分四边形结构化网格,节点数26116,最小正交质量1.0。
 
 

3 边界条件与求解设置

该案例的本质是求解封闭空间的自然对流问题,四周设置为对流换热边界,注意本案例没有把保温层也创建,因此我们用一个相对较小的自然对流系数间接考虑保温层。
 
 
对于电加热棒,我们用体积热源来模拟,由于电加热器采用间歇加热,比如本案例我们设定加热条件为:当监测点的水温大于等于68℃时,加热棒热源为0;当监测点的水温小于等于62℃时,给加热棒赋予既定的热源。这个过程需要用到UDF,也是本案例的技术核心,需要有偿获取(代码和使用方法放在文末,读者朋友按需获取),但是关于监测点的水温如何通过UDF获取,是本团队的原创,在之前的案例中有过公开发布(详见2019年5月19日推文,FLUENT UDF读取某个点的温度数据?)。最终的结果应该要达到如下的效果(监测点温度曲线)。
 
 
另外,由于计算时间相当久,比如本案例时间步长要设置到0.001这个级别才能获得较好的收敛效果,要模拟24小时的动态过程,对计算资源要求很高,本案例还是二维模型,实际情况是真实的三维结构,计算量就更大了,相信未来随着AI和CFD的发展结合,计算效率必会大大提升。因此,本案例我们偷懒做了个弊,我们关闭流动方程,只求解流体域和固体域的能量方程,这样就可以用非常大的时间步长快速获得上述曲线结果,同时为了使计算域偏向满足集总参数模型,我们将液态水的导热系数设置成很大的虚假值。再次强度,这个方法是投机取巧,因此曲线对应的时刻值是没有意义的,仅仅反应趋势。真实案例必须采用常规的计算设置比如考虑浮力等等。
 
 
 
 
其他常规设置从略,注意由于上面的投机取巧操作,本案例的时间步长为600s。

4 计算结果

监测点的温度动态曲线如下图,可以看到,从常温加热到68℃以及62~68℃之间的间歇加热过程都得到了正确模拟。
 
 
参考文献
[1]电热水器能耗数值计算及保温性能优化分析

来源:仿真与工程
FluentUDF
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-06-20
最近编辑:1年前
余花生
签名征集中
获赞 262粉丝 610文章 397课程 0
点赞
收藏
作者推荐

FLUENT保温方式对换热器影响模拟

正文共:1109字10图预计阅读时间:3分钟1前言今天,我们讨论一个现场实际问题。在SOFC系统集成时,高温板式换热器在保温上可能存在如下两者情况。第一种是直接对换热器单体进行保温绝热,此时保温材料与换热器外表面接触;另一种是采用一个“热箱”将换热器装在里面,此时保温材料与换热器外表面直接存在一个空气层。这两种工况下,换热器的工作表现会是怎么样的呢?对于前者,是非常传统的保温做法;而对于后者,由于空气层的存在,保温效果的评价会显得很复杂,假设空气层各处温度均匀,即不会形成密闭空间的自然对流,那么空气层自身就成为了理想的保温材料。但是,空气层各处温度均匀是不可能的,则极有可能会产生自然对流,那么空气层的等效导热系数可能就大于外部的保温材料。另外,这个空气层实际上不太可能是封闭空间,因此会存在漏热的问题。总之,这个问题从正向分析其实很难获得一个明确的结论。我们用一个简化的换热器模型做一下简单的模拟。2建模与网格创建如下的两个三维模型,其中一个包含了空气层,换热器我们用2个矩形流道简化,实际情况可能有几十甚至上百个流道,而且流道存在数量巨大的波纹结构,因此完全地模拟这个问题看起来似乎是不可能的,至少对于绝大多数用户而言是不可能的。划分六面体结构化网格。3边界条件与求解设置分别设置一下冷侧和热侧的介质热物性参数。保温材料物性参数如下。对于空气层,要考虑自然对流,我们采用不可压缩理想气体模型,由于空气层的密度变化范围未知,因此采用Boussinesq假设不太合适,而且有可能密度变化范围超出Boussinesq假设的使用条件。但是,不可压缩理想气体模型的收敛性不太好,对于密闭空间,稳态计算可能无法收敛,需要用瞬态计算。另外,假设保温结构可以做到封闭,则需要考虑空气的可压缩性了,即温度上升,压力也要上升。热侧入口边界条件设置如下,采用换热器的流道参数。冷侧入口边界条件设置如下,采用换热器的流道参数。有空气层时,我们考虑自然对流和辐射换热,重力方向与换热器安装方向一致,辐射换热采用S2S模型,各辐射表面的内部发射率均考虑为1。4计算结果有空气层和无空气层,传热计算结果分别如下,似乎看起来空气层的存在提高了热侧的功率,同时也增热损失。这显然和换热器的设计计算理念是矛盾的,换热器在设计时按绝热考虑,热损失增加,则其设计裕量是减小的。为什么会得出上述的结果呢,我们看一下温度分布,可以看出空气层的存在使得换热器的外表面都处在较高的温度,对于冷侧流道的外表面起到热输入的作用,特别我们用的是矩形流道,内部传热系数是较小的,综合表现就是空气层辅助了换热器的传热功能,从这一点分析,看起来也似乎是合理的。至于实际情况如何,我们在后续的实际测试中将得到结论。来源:仿真与工程

未登录
1条评论
西帅
我为人人人人为我
1年前
老师,您好,案例原文件和原控制代码在哪里呢?
回复
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈