FLUENT家用太阳能热水器模拟

    农村里基本家家户户都有太阳能热水器，笔者老家也有一台安装在楼顶。在晴朗的天气这可是省电的神器，夏天的时候热水温度可以达到99℃，可以用来杀鸡杀鸭脱毛了。最常用的热水器形式为真空玻璃管热水器，这种热水器由真空集热管和贮热水箱组成，真空集热管由内外两根同轴硼硅玻璃管组成，外形犹如一根拉伸过后的热水壶内胆，一端开口连接于上部的热水箱，另一端密封成半圆球头。在内玻璃管上附有选择性吸收涂层，其辐射吸收特性会随着入射辐射波长的改变而改变；为了防止对流和热传导带来的热损失，内玻璃管和外玻璃管之间被抽成真空。为防止不必要的热损，在贮热水箱外包有保温层。本案例以参考文献的热水器结构进行了适当修改，对热水器进行瞬态仿真。

    真空集热管管管长 L 为 1800mm，外玻璃管内径 r0为 58mm，内玻璃管内径r1为47mm，内外玻璃管厚度均为d1为1.7mm,水箱直径R为 360mm，贮热水箱外包有保温层，其厚度为 d2为 50mm，真空集热管与地面所成的夹角 φ 为 45°。采用ICEM建立二维模型，划分六面体网格，模型网格如下图。

   集热管和保温层的材料属性如下。

   水的密度设置为温度的函数，如下，热水器的换热机理实际上是封闭空间的自然对流换热，而且研究表明热水器内水的温差通常不超过10K，因此密度也可以用Boussineseq模型以提高收敛性。

   水的粘度设置为温度的函数，如下

   以上两个函数的UDF代码如下：

DEFINE_PROPERTY(viscosity,c,t)
{
real mu_lam;
real temp=C_T(c,t);
mu_lam=0.000435*pow(temp/333.15,-5.5);
return mu_lam;
}
DEFINE_PROPERTY(density,c,t)
{
real rho;
real temp=C_T(c,t);
rho=715+2.08*temp-0.00384*pow(temp,2);
return rho;
}DEFINE_PROPERTY(viscosity,c,t){real mu_lam;real temp=C_T(c,t);mu_lam=0.000435*pow(temp/333.15,-5.5);return mu_lam;}DEFINE_PROPERTY(density,c,t){real rho;real temp=C_T(c,t);rho=715+2.08*temp-0.00384*pow(temp,2);return rho;}

   根据文献计算，热水器内部的流态为层流，因此采用层流模型。

   由于在建模的时候，热水器是水平放置的，实际上安装的时候倾角为45°，因此，加速设置如下。

   另外，为了更形象地进行后处理，在视图的camera进行如下设置，这样就调整成热水器的实际安装形态。

   对于封闭空间的自然对流问题，通常用稳态求解是达不到收敛的，因此采用瞬态求解，时间步长0.2s。

   各边界条件设置如下，另外，辐照强度590W/m2，通过heat generation加载于内玻璃管顶部（couple面）。

   环境与初始水温均为20℃。

   134.6s（约2分钟）后，热水器的温度和速度如下，水在换热管被加热，密度减小，向上流动到水箱，这个过程可以清楚地从温度和速度云图上看出来。

温度

速度

   10937.6s（约3小时）后，热水器的温度、速度和密度如下,集热管表面温度最高，约29℃，此处的密度也最低。

温度

速度矢量

密度

   另外，约3小时之后，热水器内的平均水温为25摄氏度，温升5℃。从热水器环境边界的热流量可以看出，只有从水箱外部损失了3.56W的热量，玻璃管外表面几乎没有热损失，这也是真空状态的隔热作用。同时，也可以看出热水器还没有达到稳态，水温还要继续上升直到热水器环境边界的热损失为辐射得热量。（模拟这三个小时的瞬态过程，笔者的计算机持续工作了约5天，不想再继续算了……）

参考文献

张梦旭. 家用太阳能热水器性能数值仿真与测试系统设计[D]，浙江工业大学