CFD数值模拟计算技术在小区供暖工程中的应用

     摘 要】本文利用CFD软件对某小区供暖外线中液体流动情况进行了数值模拟，通过对各住宅楼出口处的流量分析，阐述了单位面积流量对供暖外线水力平衡的影响。并由此说明管网的数值模拟技术在工程中的应用，达到数值模拟计算验证工程精准设计和指导正确施工的目的，推广数值模拟计算技术在工程中的应用。

      供暖管网是一个复杂的流体网络系统，它的运行工况受多方面的影响。目前，冬季供暖运行中存在的水力平衡失调［1~3］主要是由以下原因造成的：（1）工程设计是依据水力学理论进行计算，而选取的相应数据与实际管材标准存在差别；（2）由于施工条件的限制，使得管路的实际施工与设计情况不尽相同，在实际运行中不能达到平衡；（3）管网建成后的新用户增加，使原有的水力平衡遭到破坏；（4）管网维护不当，使管网水力平衡受到影响。

      供暖中的水力失调会导致供暖系统的局部暖气温度达不到要求，为保证远端用户室内温度，不得不提高锅炉供水温度和加大循环水量，不但很难保证供暖质量，而且增大燃料燃烧量，造成了燃料的浪费、水电消耗过多。甚至由于局部温度达不到要求，造成个别业主拒交供暖费，由此引发了诸多矛盾。因此，供暖中水力平衡失调问题的探讨［4］，对节约投资和减少能源消耗以及社会和谐有着十分重要的意义。调整好供暖系统，会增加供暖管理者的美誉度，产生较好的社会效益和经济效益。

      对供暖管网水力工况进行建模［5~8］是对供暖管网运行状况进行分析以及优化计算［9］的基础。随着城市建设规模的扩大、热用户的不断增加以及能源资源的日益减少，我国政府已经越来越重视供暖管网的优化规划、改造工作以及能源的节约问题。对城市集中供暖管网的数值模拟研究在实际工程中的应用，不仅对节约投资有着十分重要的意义，而且是实现供暖安全可靠，改善供暖质量的重要环节。如何克服水力失调，实现管网的水力平衡，改善供暖质量、节省能源资源，是供暖行业所面临的问题。

      目前，由于Fluent软件可以高效率地解决各个领域内的复杂流动计算问题，被广泛的应用于模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象。但除了一些高校和研究所，很少采用数值模拟的方法研究供暖工程领域存在的问题。供暖工程领域的很多问题就靠经验和摸索，即便是解决了存在的问题，技术专家也很少深入地探讨和研究问题的原因，造成理论研究、计算科学的研究与实践相互脱节。
      本文所模拟的供暖外线室外管网水力失调问题严重，造成供暖用户冷热不均的现象长期存在，经常出现一些用户反映室温达不到供暖标准，而有些用户则室温过高，不得不开窗散热。通常采用加大水泵、提高锅炉供水温度等浪费能源的办法以缓解个别用户暖气不热的问题，但却收效甚微，同时造成了能源的巨大浪费。利用供暖管网外线改造的设计图以及流体流动的相关理论知识［10］，建立供暖管网模型，进行数值模拟分析，计算管网系统中的速度情况，采用理论与工程相互结合的方法分析管网水力平衡问题，为验证设计提供数据依据。

1 模型建立
      1.1 物理模型
      热水供暖系统中，假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，因此采用k-ε模型。其中湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：
        其中，Gk是平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是浮力影响引起的湍动能；