摘要对容积式电热水器进行了简化的建模，并使用前处理 ICEM 软件对不同的电热水器模型进行了较高质量的网格划分。通过计算流体力学软件 FLUENT，对容积式电热水器进行了数值模拟计算。并从加热管和进水口两方面分析了模拟结果，得出相应的改进方案。计算的目的在于得出电热水器在加热使用过程时的温度分别情况和流场情况。通过对不同电热水器模型的模拟，找出对于电热水器使用过程产生影响的一些因素及特点，提出了一些对热水器的设计和实际使行有一定指导意义和参考价值的建议。27563
毕业论文关键词 电热水器 数值模拟 FLUENT 温度场
Title Numerical Simulation and Efficiency Analysis of Electric WaterHeater based on FLUENT
Abstract The simplified model of the volume type electric water heater is designed. thehigh quality grids of the different electric water heaters are drawn by using thepre-processing ICEM software .Using the software FLUENT, numerical simulationresults of the electric water heater is obtained .Analyzing the results from twoaspects of the heating pipe and the inlet, the corresponding meaningful suggestionis got.The purpose of this paper is to get the temperature field of the electricwater heater during heating and the flow field. Through the simulation of differentelectric water heater model, some factors and characteristics which can affectthe process of heating are found when electric water is heating. Some suggestionswhich is meaningful for the design of electric water heater are proposed.Keywords Electric Water Heater Numerical Simulation FLUENTTemperature Field
目 次
1 绪论 1
1.1 研究的意义.. 1
1.2 国内外研究的现状.. 1
1.3 本课题研究或解决的问题方法 3
2 容积式电热水器的物理模型.. 4
3 控制方程. 5
3.1 概述.. 5
3.1.1 质量守恒方程 5
3.1.2 动量守恒方程 5
3.1.3 能量守恒方程 5
3.2 湍流模型 6
3.3 传热模型 7
3.3.1 导热换热.. 7
3.3.2 对流换热.. 7
4 数值计算方法.. 8
4.1 引论.. 8
4.2 流动控制方程的离散. 8
4.2.1 离散化方法. 8
4.2.2 流场计算的 SIMPLE算法 8
4.2.3 离散方程组的基本解法.. 9
4.3 FLUENT软件的简介. 9
5 电热水器的模拟计算 10
5.1 引言 10
5.2 电热水器的数学结构模型与网格的划分 10
5.3 热水器的模拟.. 12
5.3.1 边界条件 12
5.3.2 求解器的设置. 12
5.3.3 收敛判定 13
5.3.4 模拟结果与分析 13
5.4 本章小结. 17
结 论 18
致 谢 19
1 绪论1.1 研究的意义近年来，世界经济与科学技术的发展越来越快，人们的生活质量也越来越高。同时，随着人们环保意识的提高，人们追求环保的生活方式和使用高效节能的家用电器的想法也越来越强烈。热水器是现代家庭中一种十分重要的家用电器，在人们生活中具有非常重要的地位。电热水器作为热水器的一种，具有发展潜力大、安全系数高、使用便利等优势。根据中怡康测算数据[1]，2015 年，国内电储水热水器市场规模预计达 1733 万台，价值达 258 亿元，同比增长分别为 3.6%，4.9%，2016年将达到 280 亿元，同比增速达 8.5%。电储水热水器较其它热水器而言，具有产品性价比高、安装使用方便等优点，使得其市场增长点主要表现在三四级市场、租赁市场、电商渠道以及保障性住房市场中。随着市场回归理性，热水器市场竞争更多的取决于企业内部。本文希望通过利用FLUENT 软件对容积式电热水器进行仿真模拟，并分析其在不同情况下的加热效率，给出提高容积式电热水器使用效率的建议与方法，使得容积式电热水器的发展更符合市场发展的需求，满足人们生活的需求。这对于电热水器行业的健康发展具有重要意义。1.2 国内外研究的现状近几年，我国国内学者对于热水器的相关方面作了很多研究。2011年，郑金玲等[2]以 55L储水式电热水器作为研究对象，分析了电热水器筒体、进出水管口等各个部位的热损失情况，通过理论计算得出该电热水器24h 的固有基准能耗值，从而得出电热水器的能效等级。文章还通过改变有限元分析的边界条件，分析了影响电热水器能效等级的一些可能因素，她认为除了简体散热比较严重以外，进出水管口处的热损失占的比例比较大，可以通过增强进出水管口局部的保温来提高热水器的能效等级，从而达到更好的环保节能效果。2012 年，牛纪德等[3]在《电热水器运行方式与能耗的理论分析》一文中通过运用总传热系数法，建立了电热水器的物理模型及相应耗热量的数学模型。当电热水器以不同方式运行时，通过计算理论的能耗值，提出了电热水器连续运行更加节能这一结论，为电热水器的节能提供了新的方向。但该文并没有明确地提出降低电热水器能耗的具体方法。同一年，郭艳萍等[4]运用计算机控制原理，根据储水式电热水器能效标准规定的24 小时固有能耗系数和热水输出率的测试方法，结合能效自动化测试系统的设计要求，设计了一套新的测试系统方案。当该系统进行储水式电热水器能效测试时，能够自动判断试验开始和结束的条件、自动采集数据、绘制测试曲线并计算结果，实现了储水式电热水器能效指标的自动化测试。2013 年陈聪等[5]提出了一种将集总参数用于储水式电热水器的24 小时固有能耗系数測量的原理以及实施方法， 该测试方法不需要破坏热水器的表面和绝热层结构。 当热水器采用导热性能不良的材料制件内胆时，用此方法进行的能效测试过程中， 不需要在热水器内胆中插入多个温度传感器,测量操作大为简化，减少了检验的损耗。同时，测量时间不超过 12 小时，仅为国标方法的 1/4 左右。2014年，沈小兵[6]阐述了对空气源热泵热水器选型产生影响的因素，并对冷热水温度、干球温度、相对湿度和设备 COP、结霜等影响因素进行了说明。给出了空气源热泵热水器和电热水器耦合使用时的选型方法。并对二者在不同配置时的经济效益进行了比较分析。他认为在利用空气源热泵热水器与电热水器耦合制取生活热水时，需要综合考虑设备的工作性能、当地的冷水温度、环境温度、相对湿度等。在对热水器的仿真模拟方面，上海交通大学制冷与低温工程研究所的熊珍琴等[7]对空气源热泵热水器的水箱的加热过程进行了仿真模拟，提出了一种可以提高加热速度的水箱盘管的布置方式。该文采用RNG-  k 非稳态模型模拟在重力影响下的热泵热水器加热过程中水箱温度分布的情况，仿真结果与实验非常一致，加热90 分钟后，平均温度差别仅 2.5 摄氏度。 通过模拟与实验结果说明了所提模型的有效性。 孙京岩等[8]在 《储水式电热水器热水器输出功率的提高分析及应用》一文中通过对影响电热水器热水输出率的因素进行分析，并结合理论支持，将改善方案与实验进行对比验证，确定了强制返水板、进水水路的出水口面积对提高热水器热水输出率起着关键的作用，是提高热水输出率的改善方向。国外学者对电热水器也作了很多研究。2004 年I.Sezai[11]等通过对5L/min 和 10L/min 热水生产率的家用储水式热水器的研究，分析了其产热性能，结果发现当加热器位于水箱侧面时，只有上部的水可以被加热。当加热器位于600 毫米水箱底部时，有85%的热量可以被利用与加热 50L水，说明这将有利于生活热水能源的有效利用。2010 年 Liam Paull[12]提出了一种用于可根据多目标需求来管理的家用热水器模型。此模型根据热量的损失和水的使用情况来决定水箱中水的温度。该模型的优点有：（1）热水器的开关状况和水箱的水温可以精确预测；（2）用户可以根据使用热水的习惯来对对其进行分类。2012 年，Ruisheng Diao[13]等对家用电热水器进行了建模， 并讨论了它对不同控制请求的响应情况。 2014 年， Jawad Khoury[14]提出了一种太阳能-电热水器数学模型。该模型的重点在与要求得到一个简单而又精确的模型，并且在硬件上不需要长时间的消耗和过大的内存。该硬件在环仿真虚拟仪器RIO 中实现了。Farouk Fardouna 等[15]提出了一种准稳态仿真模型来预测一个简单的空气源热泵热水器（ASHPWH）的性能。该模型被编码到 MATLAB 软件并且用于预测系统参数效益，模拟结果表明，相比较传统的电热水器，空气源热泵热水器有约70％的能量和成本降低，与此同时,通过计算二氧化碳的产生量，发现环境污染减少了70％。1.3 本课题研究或解决的问题方法通过对 ICEM，FLUENT 等软件的学习，使用 SolidWorks 软件对不同的容积式电热水器模型进行建模，使用 ICEM 划分较高质量的网格，并使用 FLUENT 软件，设置不同的模拟条件，分别对不同的容积式电热水器模型的流场、温度场进行数值模拟。最后通过数值模拟的结果分析影响容积式电热水器使用效率的影响因素和一些改进的方法。 基于FLUENT电热水器的数值模拟及效率分析:http://www.youerw.com/wuli/lunwen_22078.html