FLUENT电热水器模拟
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，FLUENTUDF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
