齊保良楊秀芝汪晴晴

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

太陽能熱水器是日常生活中必不可少的加熱裝置，出水溫度的穩(wěn)定性控制是滿足洗浴舒適性的關(guān)鍵，而混水閥是決定其性能高低的關(guān)鍵部件。目前，常用的混水閥有手動(dòng)調(diào)節(jié)與熱傳感器混水閥兩大類。其中，手動(dòng)調(diào)節(jié)混水閥結(jié)構(gòu)簡單，但在壓差較大時(shí)會(huì)造成出水溫度調(diào)節(jié)困難，若進(jìn)入混水閥的冷水較熱水壓力大，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)冷水通過混水閥流入熱水器的串水現(xiàn)象以及出水溫度不能及時(shí)調(diào)節(jié)到所需溫度等情況，并且調(diào)節(jié)過程長還會(huì)造成水力資源的浪費(fèi)。而熱傳感器恒溫閥本質(zhì)上是一種機(jī)械式恒溫閥，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接和密封的部分較多而容易造成漏水，且使用壽命低[1-2]。

BIGLIARDI等[3]和王金海等[4]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行模擬仿真，研究了對閥門流量特性影響的因素；WU等[5]采用Fluent模擬仿真了汽車供油系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)閥，得到了壓力調(diào)節(jié)閥的流量隨壓力變化的曲線。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越加凸顯，已廣泛應(yīng)用于調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的研究，為調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來了很大的便捷，但有關(guān)太陽能熱水器混水閥在水壓變化情況下瞬態(tài)流場問題的研究相對較少，因此對太陽能熱水器混水閥瞬態(tài)流場的研究具有較大意義和價(jià)值。

文章在研究傳統(tǒng)太陽能熱水器混水閥的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改進(jìn)了太陽能熱水器混水閥機(jī)械結(jié)構(gòu)，以期能夠解決混水閥出水溫度調(diào)節(jié)困難的問題，實(shí)現(xiàn)水溫的精確控制；采用Fluent平臺(tái)對改進(jìn)混水閥壓力平衡特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并從流體動(dòng)力學(xué)方面驗(yàn)證混水閥的效果。

1 太陽能熱水器恒溫混水閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理

1.1 太陽能熱水器恒溫混水閥的結(jié)構(gòu)

文章設(shè)計(jì)的太陽能熱水器恒溫混水閥是在傳統(tǒng)混水閥的基礎(chǔ)上增加了水壓平衡單元，其主要由橡膠塞、連桿、波紋膜片等構(gòu)成。恒溫混水閥剖面圖如圖1所示，波紋膜片將恒溫混水閥冷熱水腔室隔開，其一個(gè)邊界與閥芯連接，其余邊界則與冷熱水腔交界處的閥體壁面連接，波紋膜片與閥芯、閥體接觸的部分均使用密封膠墊密封。波紋膜片與帶橡膠塞的連桿連接，構(gòu)成了水壓平衡單元。

設(shè)計(jì)水壓平衡單元結(jié)構(gòu)時(shí)，熱水側(cè)橡膠塞位于熱水進(jìn)水管與熱水腔連接口左側(cè)，且橡膠塞右側(cè)面與熱水進(jìn)水管的管壁相切；冷水側(cè)橡膠塞與熱水側(cè)對稱設(shè)計(jì)。當(dāng)冷水或熱水突然中斷時(shí)，為了確保橡膠塞完全阻塞水管，橡膠塞厚度需要稍大于進(jìn)水管的直徑，同時(shí)考慮到橡膠塞隨波紋膜片運(yùn)動(dòng)的靈敏度需求，將橡膠塞厚度設(shè)置為進(jìn)水管直徑的1.2倍。

1.2 太陽能熱水器恒溫混水閥的工作原理

熱水進(jìn)水管水壓不變，當(dāng)冷水進(jìn)水管水壓變大時(shí)，冷水進(jìn)入冷水腔的流量增加，此時(shí)波紋膜片受壓變形，通過連桿帶動(dòng)橡膠塞向熱水腔側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而使冷水進(jìn)水口流量減少，保證流量與冷水壓變化之前冷水進(jìn)入冷水腔的流量一致，從而平衡冷熱水水壓；同樣地，當(dāng)冷水進(jìn)水管水壓變小時(shí)，連桿隨波紋膜片受壓變形帶動(dòng)橡膠塞向冷水腔側(cè)運(yùn)動(dòng)，使熱水流量減少，從而平衡冷熱水壓力。若冷水進(jìn)水管壓力為零時(shí)，在熱水端壓力下，波紋膜片會(huì)帶動(dòng)橡膠塞瞬間移動(dòng)到極限位置，阻塞熱水進(jìn)水管，避免燙傷；若熱水突然中斷，在冷水端壓力下，波紋膜片會(huì)帶動(dòng)橡膠塞瞬間阻塞冷水進(jìn)水管，切斷冷水，避免冷激。

圖1 太陽能熱水器恒溫混水閥整體外觀結(jié)構(gòu)及其剖面圖

當(dāng)冷水或者熱水壓力變化時(shí)，為了能及時(shí)改變冷、熱水進(jìn)水口的流量，設(shè)計(jì)冷熱水側(cè)的橡膠塞側(cè)面與進(jìn)水管的管壁為“相切”結(jié)構(gòu)，其工作原理為:當(dāng)冷水壓力增大的瞬間，波紋膜片將帶動(dòng)連桿將橡膠塞向熱水側(cè)移動(dòng)，冷水側(cè)的橡膠塞與進(jìn)水管的管壁“相切”能更及時(shí)更大限度地縮小冷水進(jìn)水口直徑，減少冷水的流量；由于熱水側(cè)橡膠塞在熱水進(jìn)水管口的左側(cè)，向熱水側(cè)的移動(dòng)不會(huì)改變熱水進(jìn)水口大小與流量。因此，此結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)冷水端壓力變大時(shí)冷水的流量，從而維持出水溫度的穩(wěn)定性。

2 基于Fluent的恒溫混水閥壓力平衡特性分析方法

文章基于Fluent與前處理軟件ICEM CFD進(jìn)行平衡分析，ICEM CFD為與Fluent配套的網(wǎng)格劃分軟件，允許用戶對網(wǎng)格進(jìn)行修改(粗化/細(xì)化)，使模擬流動(dòng)、湍流的能力與實(shí)際情況更接近[6]。

2.1 恒溫混水閥波紋膜片的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1.1 波紋膜片的選擇

影響波紋膜片特性的因素主要為膜片波紋深度、膜片厚度、材料力學(xué)性能等[7-8]。在選擇波紋膜片時(shí)要依次確定波紋膜片型面和厚度。波紋膜片有三角形、梯形、正弦等波紋形狀，正弦紋波性能比梯形波紋性能好，而次于鋸齒紋波性能。但是在鋸齒波紋成形時(shí)，對波紋膜片拉伸比較大，存在應(yīng)力集中的情況，并且波紋膜片在混水腔中承受交變力作用[9]，因此，為延長混水閥使用壽命，文章將波紋膜片型面制作成跨距大、高度小的正弦波紋。

波紋膜片剛度與厚度成正比，但是硬度過高會(huì)使膜片易受疲勞損傷，而厚度過小則機(jī)械強(qiáng)度過小，不能滿足恒溫混水閥耐壓強(qiáng)度要求[10-11]。具體波紋膜片厚度選擇可通過Fluent仿真平臺(tái)數(shù)值模擬波紋膜片在恒溫混水閥中的受力情況。

2.1.2 基于Fluent仿真平臺(tái)的波紋膜片撓度分析計(jì)算

(1)波紋膜片邊界條件的設(shè)定與參考點(diǎn)的布置

恒溫混水閥水腔內(nèi)水壓力隨冷水進(jìn)水管壓力不斷變化，導(dǎo)致水腔內(nèi)部水流情況較為復(fù)雜，在Fluent軟件進(jìn)行模型求解的過程中，選擇壓強(qiáng)作為波紋膜片的邊界條件，其余邊界條件見表1。對冷水水壓波動(dòng)所引起的波紋膜片表面壓力分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，波紋膜片上距離波紋膜片中心10 mm處的點(diǎn)所受的壓差最大，最能反映波紋膜片的耐壓情況，選此為參考點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察。

表1 邊界條件表

(2)波紋膜片撓度的分析計(jì)算

波紋膜片邊界與恒溫混水閥冷熱水腔交界處內(nèi)壁連接，波紋膜片實(shí)際承受壓力是冷熱水腔內(nèi)壓力差。自來水壓力為0.1～0.6 MPa，通常取0.3 MPa。太陽能熱水器熱水壓力一般為0.05～0.6 MPa，＞0.6 MPa水壓的用戶一般需要安裝減壓閥[12]，因此太陽能熱水器混水閥冷熱水兩側(cè)的壓差為0～0.6 MPa。在Fluent軟件對波紋膜片進(jìn)行模型求解時(shí)，考慮到安全裕度因素，選擇0.05～1 MPa作為模擬波紋膜片所承受的冷熱水壓力差，對波紋膜片周邊增加固定約束，在其兩側(cè)增加軸對稱約束。

根據(jù)設(shè)置的邊界條件進(jìn)行迭代計(jì)算，并將求解得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到函數(shù)繪圖軟件Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，描繪出參考點(diǎn)處(距離波紋膜片中心10 mm)不同厚度的波紋膜片壓強(qiáng)—撓度曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 參考點(diǎn)處不同厚度波紋膜片的壓強(qiáng)—撓度曲線圖

由圖2可知，在相同壓力點(diǎn)下，隨著波紋膜片厚度增加，撓度逐漸降低。在滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的前提下，紋波膜片厚度越薄，隨著冷熱水壓差的變化反應(yīng)越靈敏，更有利于拉動(dòng)連桿、帶動(dòng)橡膠塞隨波紋膜片的形變而移動(dòng)。厚度為0.2～0.5 mm的波紋膜片均能夠承受0.05～1 MPa的壓力，可以滿足恒溫混水閥內(nèi)冷熱水壓差為0～0.6 MPa時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度要求，但是在滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的前提下，波紋膜片厚度應(yīng)選擇較小值為宜。因此，文章選擇厚度為0.2 mm的波紋膜片進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2.2 恒溫混水閥計(jì)算模型的建立

標(biāo)準(zhǔn)k-?雙方程[13]為工程實(shí)際中最常用的湍流模型，其在湍流動(dòng)能方程的基礎(chǔ)上引入一個(gè)關(guān)于湍流動(dòng)能耗散率的方程。湍流動(dòng)能k及耗散率?的微分方程分別由式(1)和(2)表示為

式中ρ為流體密度，kg/m3；k為湍流動(dòng)能，k＝ui＋為湍流黏度為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；σk為湍流動(dòng)能對應(yīng)的普朗特系數(shù)，在Fluent軟件中默認(rèn)值為1.0；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能，J；ε為湍流耗散率，ε＝ui＋為湍流動(dòng)耗散率所對應(yīng)的普朗特系數(shù)，在Fluent軟件中默認(rèn)值為1.3；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，在Fluent中默認(rèn)值為C1ε＝1.44、C2ε＝1.92；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cμ＝0.09。

雷諾數(shù)Re為表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，其計(jì)算公式由式(3)[14]表示為

式中v為流場的特征速度，m/s；L為流場的特征長度，m。

參考曼德束MSJC混水閥的技術(shù)參數(shù)(出水口流量4 m3/h、通徑DN25等)，變量取值為ρ＝1 000 kg/m3、μ＝0.001 Pa·s、v＝2.27 m/s。由式(3)計(jì)算出雷諾數(shù)為227 000。已知雷諾數(shù)＞10 000數(shù)量級為湍流，在Fluent軟件進(jìn)行模型求解的過程中，應(yīng)該選擇處理湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-?雙方程為計(jì)算模型。

3 基于Fluent的恒溫混水閥模擬仿真結(jié)果分析

Fluent軟件對恒溫混水閥的模擬仿真與對波紋膜片的處理相同，在此不再贅述。實(shí)驗(yàn)中通過轉(zhuǎn)動(dòng)混水閥手柄調(diào)節(jié)冷熱水混合比來調(diào)節(jié)出水溫度，恒溫混水閥的仿真結(jié)果主要通過靜壓力云圖與速度矢量圖進(jìn)行描述，如圖3所示。圖中的不同顏色分別代表了壓強(qiáng)與流速的大小[15]，其值與光譜波長成正比，按紅橙黃綠青藍(lán)等顏色順序而逐漸減小。

(1)冷熱水進(jìn)水壓力相同時(shí)恒溫混水閥仿真結(jié)果分析

由圖3(a)可知，冷熱水兩側(cè)的光譜波長呈中心軸對稱分布，表明冷熱水兩側(cè)的壓強(qiáng)對應(yīng)相同。由圖3(b)可知，冷熱水兩側(cè)的光譜波長亦呈中心軸對稱分布，表明冷熱水側(cè)的水流速度對應(yīng)相同。

圖3 冷熱水進(jìn)水壓力相同時(shí)恒溫混水閥仿真結(jié)果圖

(2)冷水進(jìn)水壓力＞熱水進(jìn)水壓力時(shí)恒溫混水閥的仿真結(jié)果分析

由圖4(a)可知，冷水側(cè)的光譜波長大于熱水側(cè)相對位置的光譜波長，表明冷水側(cè)的水壓力大于熱水側(cè)對應(yīng)位置的水壓力；波紋膜片向熱水側(cè)彎曲變形，混合出水口處冷熱水對應(yīng)位置的光譜波長相同，表明在混合出水口處冷熱水對應(yīng)位置的壓力相同。由圖4(b)可知，波紋膜片發(fā)生形變，混合出水口處冷熱水對應(yīng)位置的光譜波長相同，表明在混合出水口處冷熱水對應(yīng)位置的水流流速相同。

圖4 冷水進(jìn)水壓力＞熱水進(jìn)水壓力時(shí)恒溫混水閥的仿真結(jié)果圖

(3)冷水進(jìn)水壓力＜熱水進(jìn)水壓力時(shí)恒溫混水閥的仿真結(jié)果分析

由圖5可知，冷水側(cè)的光譜波長小于熱水側(cè)相對位置的光譜波長，波紋膜片向冷水側(cè)彎曲變形，但在混合出水口處冷熱水對應(yīng)位置的光譜波長相同，表明在混合出水口處冷熱水對應(yīng)位置的壓力和水流流速都相同。

圖5 冷水進(jìn)水壓力＜熱水進(jìn)水壓力時(shí)恒溫混水閥的仿真結(jié)果圖

(4)與傳統(tǒng)混水閥的仿真結(jié)果對比

當(dāng)冷水水壓變化時(shí)，混水閥混合出水口處平均水壓隨冷水水壓的變化而變化。由圖6可知，當(dāng)冷水進(jìn)水口壓力變化時(shí)，改進(jìn)混水閥出水口冷熱水兩側(cè)截面平均壓強(qiáng)發(fā)生突變，由于水壓平衡單元的調(diào)節(jié)作用，使混合出水口截面處冷熱水兩側(cè)平均壓強(qiáng)相同。而沒有水壓平衡單元調(diào)節(jié)作用的傳統(tǒng)混水閥，與改進(jìn)混水閥對應(yīng)截面區(qū)域側(cè)的平均壓強(qiáng)不同，且與改進(jìn)混水閥相對應(yīng)的截面區(qū)域冷熱水兩側(cè)壓強(qiáng)波動(dòng)規(guī)律不同，使出水溫度隨冷水進(jìn)水口水壓的變化而波動(dòng)。

圖6 混水閥出水口處冷熱水兩側(cè)截面平均壓強(qiáng)曲線圖

根據(jù)表1設(shè)置的邊界條件進(jìn)行求解，當(dāng)熱水和冷水進(jìn)水溫度設(shè)置在78.85、26.85℃時(shí)，迭代大約160次后，混水閥混合出水口截面平均溫度檢測曲線如圖7所示。由此圖可知，當(dāng)冷水進(jìn)水口壓力變大時(shí)，混水閥出水口截面平均水溫突然下降，但經(jīng)過水壓平衡單元的調(diào)節(jié)，混水閥出水溫度快速達(dá)到理想的穩(wěn)定狀態(tài)，其值約穩(wěn)定為38.5℃。

圖7 改進(jìn)混水閥出水口截面平均溫度檢測曲線圖

綜上所述，當(dāng)冷熱水進(jìn)水壓力相同時(shí)，混水閥冷熱水兩側(cè)對應(yīng)位置的壓強(qiáng)和水流速度相同。通過轉(zhuǎn)動(dòng)混水閥手柄調(diào)節(jié)冷熱水混合比，調(diào)節(jié)出水溫度。當(dāng)冷熱水進(jìn)水壓力不同時(shí)，通過水壓平衡單元平衡冷熱水腔內(nèi)的水壓可以解決混水閥出水溫度隨外界水壓變化而變化的問題。

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的太陽能熱水器恒溫混水閥，借助Fluent仿真平臺(tái)對改進(jìn)恒溫混水閥進(jìn)行了流場的數(shù)值模擬仿真，通過靜壓力云圖、速度矢量圖和混水閥出水口截面平均溫度檢測曲線分析，可以得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)冷熱水進(jìn)水壓力不相同時(shí)，水壓平衡單元可以平衡冷熱水水腔內(nèi)的水壓，保證冷水流量與冷水壓力變化前一致，即保證冷水流量不變。

(2)在熱、冷水入口溫度分別為76.85、26.85℃的情況下，當(dāng)冷水壓力變大時(shí)，改進(jìn)混水閥能使出水溫度快速調(diào)節(jié)到理想的穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定值約為38.5℃。