FLUENT太阳能热水器仿真：绿色能源的探索之旅

01前言

最常用的热水器形式为真空玻璃管热水器，这种热水器由真空集热管和贮热水箱组成，真空集热管由内外两根同轴硼硅玻璃管组成，外形犹如一根拉伸过后的热水壶内胆，一端开口连接于上部的热水箱，另一端密封成半圆球头。

在内玻璃管上附有选择性吸收涂层，其辐射吸收特性会随着入射辐射波长的改变而改变；为了防止对流和热传导带来的热损失，内玻璃管和外玻璃管之间被抽成真空。为防止不必要的热损，在贮热水箱外包有保温层。

本案例以参考文献的热水器结构进行了适当修改，对热水器进行瞬态仿真。

FLUENT太阳能热水器仿真附江帆Fluent高级应用与实例分析下载的图1

02模型描述与求解设置

真空集热管管管长 L 为 1800mm，外玻璃管内径 r0为 58mm，内玻璃管内径r1为47mm，内外玻璃管厚度均为d1为1.7mm,水箱直径R为 360mm，贮热水箱外包有保温层，其厚度为 d2为 50mm，真空集热管与地面所成的夹角 φ 为 45°。采用ICEM建立二维模型，划分六面体网格，模型网格如下图。

FLUENT太阳能热水器仿真附江帆Fluent高级应用与实例分析下载的图2

集热管和保温层的材料属性如下。

FLUENT太阳能热水器仿真附江帆Fluent高级应用与实例分析下载的图3

水的密度设置为温度的函数，如下，热水器的换热机理实际上是封闭空间的自然对流换热，而且研究表明热水器内水的温差通常不超过10K，因此密度也可以用Boussineseq模型以提高收敛性。

FLUENT太阳能热水器仿真附江帆Fluent高级应用与实例分析下载的图4

水的粘度设置为温度的函数，如下

FLUENT太阳能热水器仿真附江帆Fluent高级应用与实例分析下载的图5

以上两个函数的UDF代码如下：

DEFINE_PROPERTY(viscosity,c,t){real mu_lam;real temp=C_T(c,t);mu_lam=0.000435*pow(temp/333.15,-5.5);return mu_lam;}DEFINE_PROPERTY(density,c,t){real rho;real temp=C_T(c,t);rho=715+2.08*temp-0.00384*pow(temp,2);return rho;}DEFINE_PROPERTY(viscosity,c,t){real mu_lam;real temp=C_T(c,t);mu_lam=0.000435*pow(temp/333.15,-5.5);return mu_lam;}DEFINE_PROPERTY(density,c,t){real rho;real temp=C_T(c,t);rho=715+2.08*temp-0.00384*pow(temp,2);return rho;}