Fluent软件在地表水源热泵系统温排水数值模拟中的运用.pdf

Fluent 软件在地表水源热泵系统温 排水数值模拟中的运用 * 黄晓武 1 田静 1 张媛媛 1 孔淑琼 2 洪念 1 刘杰 1 罗阳 1 顾晨 1 1. 桂林理工大学广西环境工程与保护评价重点实验室， 广西 桂林 541004; 2. 中国地质大学环境学院， 武汉 430074 摘要 运用 Fluent 软件对重庆市嘉陵江化龙桥段瑞安新天地江水水源热泵系统尾水排入受纳水域的过程进行二维数 值模拟， 选取 Fluent 中非耦合、 隐式求解器对模型内的定常流动进行求解， 得出受纳水域受水源热泵系统温排水影响 后的温升面积和温度梯度。结果表明 在温排水流量为 2. 0 103m3/h、 温差为4 ℃ 的条件下， 计算该水域沿水流方向 温升超过1 ℃ 的最大影响距离为150. 4 m， 温升超过1 ℃ 的水域面积约为1 525 m2， 为模拟江水面积的 8. 59 。选取 1 ℃ 温升值作为温升带的边界控制值， 并在热泵系统最大负荷工况下， 根据 W Q ΔT 计算研究水域热环境容量为 19. 402 m3℃ /s， 剩余热环境容量为17. 736 m3℃ /s。 根据地表水环境质量标准， 该工程温排水量小于受纳水域的热承 载力， 不会对受纳水域生态环境造成热污染。 关键词 Fluent 软件;地表水源热泵;二维数值模拟;温排水 APPLICATION STUDY OF FLUENT SOFTWARE IN THERMAL DISCHARGE NUMERICAL SIMULATION OF SURFACE- WATER RESOURCE HEAT PUMP Huang Xiaowu1Tian Jing1Zhang Yuanyuan1Kong Shuqiong2Hong Nian1Liu Jie1Luo Yang1Gu Chen1 1. The Guangxi Key Laboratory of Environmental Engineering，Protection and Assessment，Guilin University of Technology， Guilin 541004，China;2. School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China AbstractFluent software was used to make two-dimensional numerical simulation on the process of the tail water discharged into the received water of the water resource heat pump of Ruian New World Area of Hualong Bridge on Jialing River in Chongqing． Through studying the steady flow process in the model by using uncoupled implicit solvers，the temperature rising area and temperature gradient of the influencing waterhead were got． The results showed thatas the flow of thermal discharge was 2． 0 103m3/h and the temperature difference was 4 ℃ ，the most influence distance along the flow direction was 150. 4 m，moreover the water area was 1 525 m2if temperature of the water rose 1 ℃ ， which was 8. 59 area of the simulation river acreage． This article intercalate the boundary control value of the temperature rising area with one degree，in the condition of mostly polluted，according to the ula of W Q ΔT， the environmental heat capacity was 19. 402 m3℃ /s，furthermore the residual environmental heat capacity was 17. 736 m3℃ /s． According to the water environment quality standard，the capacity of the thermal discharge was under the received water，and there was no thermal pollution to the ecological environment of the received water． KeywordsFluent software;surface-water resource heat pump;two-dimensional numerical simulation;thermal discharge * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2008ZX07317- 02- 03 ; 广西 环境工程与保护评价重点实验室和广西高校人才小高地建设创新团队 资助计划 GuiKeRen 2007- 71 项目资助。 环 境 污 染 和 能 源 危 机 是 当 今 世 界 的 两 大 主 题 ［1］。地表水源热泵是一种可再生清洁能源， 是解 决环境污染和能源危机的有效途径之一 ［2］。 然而， 地表水源热泵在提供清洁能源的同时， 其 温排水也对附近水域产生了不同程度的热污染， 从而 制约了该技术的广泛运用。此外， 工程实例试验研究 热泵系统对附近水域的热污染情况， 存在投资大、 周 期长、 成效慢等诸多劣势。 Fluent 软件是国外开发的一种数值模拟核心软 02 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 件， 目前在国内研究地表水源热泵方面应用较少。本 文拟采用 Fluent 软件对温排水排入水体过程进行数 值模拟， 以期得出受纳水域的热环境容量和剩余热环 境容量， 从而为重庆市嘉陵江化龙桥段瑞安新天地江 水水源热泵系统的合理运行提供理论依据。 1材料和方法 1. 1软件介绍 Fluent 软件是目前国内外使用最广泛、 最流行的 商业软件之一， 用于模拟和分析在复杂几何区域内的 流体流动与热交换问题的专用 CFD 软件。Fluent 软 件主要由前处理器 Gambit 和求解器 Fluent 组成 ［3］。 Gambit 用于划分计算网格， 要求被划分水体模型边 界闭合; Fluent 利用已划分的网格， 选定求解器类型， 并设置控制参数， 建立流场模型， 计算水体的各项水 力特性图和特征值 ［4- 5］。Fluent 软件具有功能强大、 适用面广， 高效快捷、 结果精确， 理论创新、 构建模型， 处理精细、 图片精美等特点， 是数值模拟研究的核心 软件之一。 1. 2参数设置 本课题所模拟受纳水域的大小为 L B H 200 m 80 m 10 m，温 排 水 实 际 流 量 为 2 000. 00 m3/h， 根 据 水 文 资 料 江 水 实 际 流 速 为 0. 8 m/s。边界条件设为 江水入口， 温排水入口， 江 水出口， 墙面材料选择与水泥最接近的碳酸钙。 温排水模型试验装置设计参数相似比例公式为 流速比例 Vr Zr1 /2， 流量比例 Qr LrZr1. 5， 其中 Qr、 Lr、 Zr 分别表示原型和模型的流量比例、 长度比例和 水深比例 ［6］。模型长度比例尺 Lr 50， 深度比例尺 Zr 6， 计算得流速比例尺为 2. 45， 温排水流量比例 尺为 734. 85。 经相似比例计算后， 温排水流量为0. 76 L/s， 江 水流速为0. 33 m/s。根据温排水相似流量选管径为 20 mm的排水管， 由 Q ΠR2 V 可计算得出温排水 流速为0. 61 m/s。 综上所述， 设置二维数值模拟参数为 1江 水 水 体 的 物 理 属 性Density 密 度 1 000 kg/m3;Cp 等 压 比 热 4 216;Thermal Conductivity 导 热 系 数 0. 667; Viscosity 动 力 黏 度 8 10 － 4。 2Inlet1VelocityMagnitude 入 口 速 度 0. 8 m/s 相似换算成0. 33 m/s ; Temperature 入口 温度 300 K; Turbulence Intensity 湍流强度 8 ; Hydraulic Diameter 水力直径 160 cm。 3 inlet2VelocityMagnitude 入 口 速 度 0. 61 m/s; Temperature 入口温度 304 K; Turbulence Intensity 湍流强度 8 ; Hydraulic Diameter 水力直 径 2 cm。 4 Outlet 设置为 outflow 边界类型。 1. 3研究方法 运用 Fluent 软件对重庆市嘉陵江化龙桥段瑞安 新天地江水水源热泵系统的尾水排入受纳水域的过 程进行二维数值模拟， 运用前处理器 Gambit 对受纳 水域构建二维模型， 选取 Fluent 中的非耦合、 隐式求 解器对模型内的定常流动进行求解 ［7- 8］。取热泵系统 尾水排放口处受纳水域作为研究对象， 分别设置江水 入口 inlet1、 江水出口 outlet 以及该地表水源热泵温 排水排放口 inlet2， 根据相关水文资料和实际工程资 料设置水体的各项参数。选取1 ℃ 温升值作为温升 带的边界控制值 ［9］， 以沿水流方向200 m为最大影响 距离， 模拟得出受纳水域受水源热泵系统温排水影响 后的温度分布图。 对模拟结果进行分析， 并在热泵系统最大负荷工 况下， 根据 W Q ΔT 计算得出受纳水域的热环境 容量和剩余热环境容量。根据 GB 38382002地表 水环境质量标准 ［10］相关要求， 比较热环境容量计算 值与受纳水域热承载力标准值， 分析结果得出结论。 2结果与分析 为了保证模拟的真实性和精确性， 受纳水域网格 设 置 为 400 cm 160 cm，网 格 数 为 64 000，每 格 1 cm2。左边 设 置 为 江 水 进 口 inlet1， 入 口 尺 寸 为 160 cm; 右 边 设 置 为 江 水 出 口 outlet，出 口 尺 寸 160 cm; 下方开口为温排水入口 inlet2， 入口尺寸为 2 cm。 由计算机对出流口平均温度进行迭代计算， 迭代 计算 50 次后， 出口截面上的平均温度已经基本达到 稳定状态。为更细致的观察其变化， 对其进行放大显 示， 设置 Y 轴最小值为300. 00 K， 最大值为300. 20 K。 经放大处理后， 出口截面上的平均温度基本达稳 定状态， 为300. 094 K。江水初始温度为300. 000 K， 温排水温度为304. 000 K， 据此初步推测， 温排水对整 个水域的影响程度相对小。 图 1 和图 2 分别为模拟水域速度场分布图和速 度场等值曲线图， 图中不同灰度对应不同的数值， 点 击区域里任何一点即可在左边纵坐标迅速显示对应 12 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 数值。据图 1 显示 在温排水入口处， 由于水流方向 垂直的原因， 两水流产生涡流， 在温排水入口附近呈 现出不同流速。图 2 从速度场分布梯度的角度， 更直 观清楚地展示了受纳水域在水源热泵尾水排入后， 速 度呈梯度分布的水力特性。由温排水入口及其后水 域的速度分布趋势可知， 随着水体向右流动， 温排水 和江水相互充分混合致均匀。根据图中速度分布及 影响范围， 可初步推测水源热泵温排水排放量未超过 受纳水域的热承载能力。 图 1 Fluent 二维模拟速度场分布 图 2Fluent 二维模拟速度场分布等值曲线 图 3 为二维模拟出流口截面温度场分布图， 是数 值模拟核心。由图 3 中纵坐标显示可知 出流口下端 水体温度为301. 00 K， 水体温度从下至上依次降低， 在 － 40 cm处温度减至300. 00 K。出流口温度分布情 况说明 模拟水域水体导热分横、 纵两个方向， 且纵向 导热比横向快， 这主要是由江水内部为紊流状态和江 水本身流速方向所致。 此外， 图 3 显示出温度升值为1 ℃ 的控制边界， 这从根本上验证了模拟实验的科学性和可行性， 为后 期计算温排水影响面积及研究受纳水域的热环境容 量提供理论依据和基础数据。 温度场温升分布图 4 和温度场等值曲线图 5 为 本次数值模拟的核心成果图。据图可清晰读出各点 温度值， 在排放口附近区域温度梯度很大， 距离越远 图 3Fluent 二维模拟出流口截面温度场分布 温度梯度越小。此外， 根据图 5 可找出温升值为1 ℃ 的区域边界， 据此可进一步求出温升值超过1. 0 ℃ 的 区域面积， 进而根据公式求出热环境容量和剩余热环 境容量。 图 4 Fluent 二维模拟温度场分布 图 5Fluent 二维模拟温度场等值曲线 由图 4 可知 温排水排入受纳水域后， 水体受到 不同程度的热影响， 温升值总体沿水流方向呈一定梯 度降低， 且温升面积较小。这是因为受纳水域在水源 热泵间歇运行时， 由于江水紊流以及江水固有流速， 水域水温能够较快得到有效恢复。 模拟结果表明 在自然水温为27. 00 ℃ ， 热水温 度31. 00 ℃ ， 热水出流量约555. 56 L/s的情况下， 水域 水体温升最大约为2. 80 ℃ ， 温升超过1. 5 ℃ 的包络 面积大约为0. 19 m2， 温升超过1. 0 ℃ 的水域面积约 为0. 55 m2， 下游方向温升超过1 ℃ 的最大影响距离 为150. 4 m， 上游方向为16. 5 m， 对岸方向为38. 7 m。 模拟试验是在夏季最大冷负荷条件下进行的， 计算得 出实 际 江 水 温 升 值 超 过 1. 5 ℃ 的 水 域 面 积 约 为 475. 00 m2， 为整个水域面积的 2. 97 ， 实际江水温 升值超过1 ℃ 的水域面积约为1 525m2， 为整个水域 面积的 8. 59 。绝大部分水域水温受影响程度较 小， 温升在1. 0 ℃ 以内。 22 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 在温排水流量为 2. 0 103m3/h， 温排水与江水 温差为4 ℃ 的条件下， 模拟结果显示温升值超过1 ℃ 的水域面积占整个水域面积的 8. 59 。选取1 ℃ 温 升值作为温升带的边界控制值 ［9］， 并在热泵系统最 大负荷工况下， 根据 W Q ΔT 计算江河热环境容 量， 得出研究水域的热环境容量为 19. 402 m3℃ /s， 剩余热环境容量为17. 736 m3℃ /s。 3结论 对重庆市嘉陵江化龙桥段瑞安新天地江水水源 热泵系统温排水排入受纳水域的过程进行二维数值 模拟， 得出水域受水源热泵温排水影响后， 温升梯度 随距离温排水排放口的距离增大而减小。在温排水 流量为 2. 0 103m3/h、 温差为4 ℃ 的条件下， 得出研 究水域下游方向温升值超过1 ℃ 的最大影响距离为 150. 4 m， 上游方向为14. 5 m， 对岸方向为35. 7 m， 温 升值超过1 ℃ 的水域面积约为1 525 m2， 为模拟水域 面积的 8. 59 。选取1 ℃ 温升值作为温升带的边界 控制值， 并在热泵系统最大负荷工况下， 计算得出研 究水域的热环境容量为19. 402 m3℃ /s， 剩余热环境 容量为17. 736 m3℃ /s。 由计算结果表明 嘉陵江化龙桥段瑞安新天地江 水水源热泵的温排水量只是受纳水域热环境容量的 8. 59 ， 其对温排水排出口水域水体的影响范围和影 响程度均相对小。经数值模拟实际论证， 温升值及温 升范围均未超出国家相关标准的规定， 说明该水源热 泵示范工程符合附近水域热承载力的要求， 不会对水 源热泵附近水域环境造成污染。 参考文献 ［1］Ryan P. Thedevelopmentofnewenvironmentalpoliciesand processes in response to a crisisthe case of the multiple barrier approach for safe drinking water ［J］． Environmental Science ＆ Policy， 2010，13535- 548． ［2］Chua K J，Chou S K，Yang W M．Advances in heat pump systemsA review ［J］． Applied Energy，2010，873611- 3624． ［3］于勇． FLUENT 入门与进阶教程［M］． 北京 北京理工大学出版 社， 2008． ［4］骆碧君， 樊在义， 陈丽娜． 利用 Fluent 软件研究景观水体循环模 式与流场优化［J］． 中国给水排水， 2009 10 95- 97． ［5］韩占忠． FLUENT 流体工程仿真计算实例与分析［M］． 北京 北 京理工大学出版社， 2009． ［6］周健， 黄向阳， 刘杰． 湖水源热泵系统冷排水对浮游植物影响试 验研究［J］． 土木建筑与环境工程， 2010 2 116- 120． ［7］Fluent Inc．Fluent user Defined Function Manual ［M］． Fluent Inc． 2003． ［8］Fluent Inc． Fluent 6． 3 users guide ［M］． Fluent Inc， 2006． ［9］Erhan P，Salih C，Kursat U，et al． Experimental study of horizontal ground source heat pump perance for mild climate in Turkey ［J］． Energy，2009，34 1284- 1295． ［ 10］GB 38382002 地表水环境质量标准［S］． 北京 中国环境科学 出版社，2002． 作者通信处黄晓武541004广西桂林市建干路 12 号桂林理工大 学环境科学与工程学院 934 信箱 E- mailxwhuang2010 gmail． com 2010 － 10 － 18 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 12 页 3小结 焦化废水为高毒性、 难生物降解废水， 其调试和 运行过程首先需要全面认识焦化废水水质特点， 有针 对性的进行生物调试， 设置一套符合各自工艺的合理 参数; 在生物调试、 运行过程中， 需要进行科学的管 理， 对控制条件进行严格把关， 积极寻找高效率与低 成本运行的结合点。 参考文献 ［1］单明军，吕艳丽，丛蕾． 焦化废水处理技术［M］． 北京 化学工 业出版社，2007 30- 36． ［2］郭金华， 田作林，冯天伟，等． 新型复合混凝剂在焦化废水处 理中的应用［J］． 长春理工大学学报， 2002， 25 4 48- 49． ［3］方振伟，李光明，赵建夫． 催化湿式氧化法处理焦化废水的分 析［J］． 工业水处理， 2003， 23 1 12- 15． ［4］杨平，王斌． 生物法处理焦化废水评述［J］． 化工环保， 2001， 21 3 144- 148． ［5］刘红，张林霞，吴克明． 吸附-氧化法处理焦化废水的研究［J］． 工业水处理， 2003， 23 5 35- 37． ［6］刘军． 焦化废水生物脱氮工艺浅析［J］． 燃料与化工， 2003， 34 6 316- 318． ［7］单明军，吕艳丽，张海灵． 生物脱氮新技术在焦化废水处理中 的应用［J］． 冶金能源， 2005， 24 4 51- 53． 作者通信处闵玉国100102北京市朝阳区望京悠乐汇 C 座 717 室 电话 010 84766236 E- mailyuding yudwater． com 2010 － 11 － 22 收稿 32 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期