城市污水源热泵工质层流流场数值模拟

摘要：城市污水是一种优良的低温余热源，相对于常规空调系统在初投资及运行方面具有明显优势。考虑到污水冷热源系统需要的是污水宏观的流动与换热特性，因此将污水流动视为均质流，将固相污物存在的影响归结到流体粘度特性之中。所以本文主要从单相非牛顿流体方向对城市污水进行流动特性的研究，通过数值模拟的方法研究了污水换热管层流状态下入口段长度和管径的关系。这些都为污水换热管的阻力设计，污水泵的流量、扬程选择问题提供了设计依据。关键词：污水源热泵工质；非牛顿流体；屈服-假塑性中图分类号： G353

文献标识码： A1引言低品位可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和工业、城市余热等，相对这些冷热源，城市污水具有独特优势[][1-2]，是一种优良的引人注目的低温余热源，在整个采暖期间，水温波动不大，是水/水热泵或水/空气热泵的理想低温热源。近几年随着水源热泵的推广应用，一些开发商对城市污水源热泵系统开展了一系列相关研究，主要是针对节能性、环保性与应用前景预测的一些讨论[4-5]。本文主要针对经过粗滤的城市污水，利用数值模拟的方法研究了污水源热泵工质的流动特性。考虑到城市冷热源系统需要的是污水宏观的流动特性，将固相污物存在的影响归结到流体粘度特性之中，则将其视为单相均匀非牛顿流体。2管内层流流场数值模拟2.1建模、网格划分与方程离散及收敛标准确定物理模型：考虑到流场的轴对称性，取一轴向截面作为计算区域，R=0.0097m，L=4.76m；物性参数：城市污水源热泵工质为屈服假塑性流体，所以选取Herschel-Bulkley模型，=973kg/m3，0=0.00448pa，k=0.00413Nsn/m2，n=0.77775；边界条件：采用速度入口边界条件进行计算，入口速度为均匀分布，取v=0.08m/s，出口为自由出流出口。在GAMBIT中直接进行几何体积的生成和网格划分，考虑到本问题模型比较规则简单，而且是轴对称的，所以采用二维流场进行模拟。直接采用结构化网格，在靠近壁面处由于速度梯度变大，所以对网格进行加密。将节点与网格划分信息输入fluent进行求解，选择分离式求解器，采用隐式算法，压力速度耦合采用SIMPLE算法。亚松弛因子的选择，可初步确定为压力修正项取0.5，动量修正项选0.7。具体计算时，可根据不同情况下的收敛情况，重新调整迭代因子的数值，最终获得收敛的解。连续性方程和动量方程收敛残差标准均为10-3。以均一的速度入口为计算的起始点。2.2换热管层流入口段的数值模拟在研究管道内的流动时，必须区分入口段的流动和充分发展段的流动。近壁处很薄的一层流体内速度梯度很大，称为边界层。在边界层内，流体速度由中心区域的最高值降至壁面处的零值。边界层逐渐发展直至管道中心，使占有整个断面，形成稳定的速度分布的长度称入口段长度。入口段的流体运动情况不同于正常的层流或湍流，故在管路阻力试验时需要避开入口段的影响。由于换热器的换热管直径比较小，所以层流入口段的影响比较大，为了准确确定换热管的阻力，从而选择准确的水泵扬程，所以下面将通过数值模拟的方法对城市污水源热泵工质管内层流入口段长度加以分析。考虑到污水源热泵系统中使用的污水换热器一般都采用的是小管径的管子，所以本文分别选择了管内径为DN15、DN20、DN25、DN32的管子进行模拟。由于本模拟仅限于层流，为了保证流动在层流范围内，我们需要通过计算临界流速来判别实验所得入口速度是否在层流范围内。对于屈服假塑性流体来说，只要广义雷诺数小于等于2100就可以保证流动是层流。由广义雷诺数计算公式求解得管内径为DN15、DN20、DN25、DN32临界流速分别为0.218m/s，0.181m/s，0.157m/s，0.135m/s。模拟所用入口流速分别为0.06m/s，0.08m/s，0.1m/s。牛顿流体在管道中做层流流动时，当Re=2000时，对于层流入口段长度约为管径的100～120倍。不同管径和不同入口速度对应下的L/d与v的关系变化如表所示。表1 不同管径和入口速度下的L/d 由表1可以看出，由于入口段的长度很大程度上是取决于流体的粘性，而城市污水源热泵工质是非牛顿流体，粘度比清水的要大，致使层流入口段的长度明显比牛顿流体短了很多。同时，Re2100时，它还受到入口速度的影响，当入口速度分别为0.06m/s、0.08m/s、0.1m/s时，无量纲量L/d分别为20、30、40。在进行换热管阻力计算时就可以考虑入口段的影响，这样提高了换热器阻力计算的精度，增加了污水泵扬程选择的准确性。 3 小结本文利用Fluent里Herschel-Bulkley（屈服-假塑性）非牛顿流体模型，对城市污水源热泵工质管内层流流动进行了数值模拟，模拟了换热管的层流入口段。由于入口段的长度很大程度上取决于流体的粘度，而城市污水源热泵工质是非牛顿流体，粘度比清水要大，层流入口段的长度明显比牛顿流体短了很多。当Re2100时，入口段长度还受到入口速度的影响，当入口速度分别为0.06m/s、0.08m/s、0.1m/s时，入口段长度与管径的无量纲比值L/d分别为20、30、40。在进行换热管阻力计算时就可以考虑入口段的影响，从而提高换热管阻力计算的精度。参考文献1Walker S. Energy from Waste in the Sewage Treatment Plants Process. IEE Conference. 1996， Mar：73-752马最良， 姚杨， 赵丽莹. 污水源热泵工质源热泵系统的应用前景. 中国给水排水. 2003（7）：41-433尹军， 韦新东. 我国城市污水源热泵工质中可利用热能状况初探. 中国给水排水. 2001，17（4）：27-304周文忠， 李建兴等. 污水源热泵工质源热泵系统和污水源热泵工质热能利用前景分析. 暖通空调. 2004， 34（8）：25-29