FLUENT冷热水混合温度计算

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1 前言                                                              

    冷热水的混合温度计算，在不考虑热损失的情况下，自行手动计算就很容易了，今天我们用FLUENT做一个简单的计算，这个计算案例读者可以从很多教材中看到类似的，只是我会在案例中提到一些可能其他案例没有提的知识点。

2 问题描述                                                          

    建立如下的二维混合器模型，包含冷、热水入口和一个出口。这里要指出，在不考虑热损失的前提下，模型的尺寸对计算结果没有任何影响。假设热水温度80℃，流量9.982kg/s，冷水温度25℃，流量19.964kg/s。

图1 混合器模型

3 计算结果

3.1 手动计算                                                        

    根据以下热平衡方程，计算混合后的水温，将已知数据带入方程，求得混合温度tmix=43.33℃。

3.2 FLUENT计算                                                    

    设置相应的边界条件进行计算，混合器的温度分布如下图。

图2 温度分布

    如果要和热平衡理论计算结果对比，我们需要获取出口的平均温度。实际上，FLUENT的平均值具有很多种，包括面积平均、节点平均、单元面平均、质量加权平均等等，笔者在诸多实践中发现，在有限的计算网格中，用质量加权求解出口平均温度更为合适。比如该案例，我们分别读取集中加权平均，结果如下，可以看出用质量加权求解出口平均温度和理论结果更接近。

图3 各种平均温度计算结果

4 附加的话                                                        

    其实，对于混合温度的计算，用焓值也是很好的方法。根据能量守恒方程，在无内热源时，进入混合器的能量（比焓×质量）之和等于流出混合器的能量（比焓×质量）。FLUENT计算结果如下。这里，我们发现，入口25℃的水的焓值约为0。这是因为，FLUENT在计算焓值是以25℃（298.15K）为参考温度的。所以，焓值的计算相当于h=cp(T-Tref)=cp(T-25)。这里cp为水的定压比热（4182j/kg℃），因此出口的温度为76669.8/4182+25=43.33℃，与前面的计算结果相同。