最常用的熱水器形式為真空玻璃管熱水器，這種熱水器由真空集熱管和貯熱水箱組成，真空集熱管由內(nèi)外兩根同軸硼硅玻璃管組成，外形猶如一根拉伸過(guò)后的熱水壺內(nèi)膽，一端開(kāi)口連接于上部的熱水箱，另一端密封成半圓球頭。

在內(nèi)玻璃管上附有選擇性吸收涂層，其輻射吸收特性會(huì)隨著入射輻射波長(zhǎng)的改變而改變；為了防止對(duì)流和熱傳導(dǎo)帶來(lái)的熱損失，內(nèi)玻璃管和外玻璃管之間被抽成真空。為防止不必要的熱損，在貯熱水箱外包有保溫層。

本案例以參考文獻(xiàn)的熱水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)修改，對(duì)熱水器進(jìn)行瞬態(tài)仿真。

真空集熱管管管長(zhǎng) L 為 1800mm，外玻璃管內(nèi)徑 r0為 58mm，內(nèi)玻璃管內(nèi)徑r1為47mm，內(nèi)外玻璃管厚度均為d1為1.7mm,水箱直徑R為 360mm，貯熱水箱外包有保溫層，其厚度為 d2為 50mm，真空集熱管與地面所成的夾角 φ 為 45°。采用ICEM建立二維模型，劃分六面體網(wǎng)格，模型網(wǎng)格如下圖。

集熱管和保溫層的材料屬性如下。

水的密度設(shè)置為溫度的函數(shù)，如下，熱水器的換熱機(jī)理實(shí)際上是封閉空間的自然對(duì)流換熱，而且研究表明熱水器內(nèi)水的溫差通常不超過(guò)10K，因此密度也可以用Boussineseq模型以提高收斂性。

水的粘度設(shè)置為溫度的函數(shù)，如下

以上兩個(gè)函數(shù)的UDF代碼如下：

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;}

根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算，熱水器內(nèi)部的流態(tài)為層流，因此采用層流模型。

由于在建模的時(shí)候，熱水器是水平放置的，實(shí)際上安裝的時(shí)候傾角為45°，因此，加速設(shè)置如下。

另外，為了更形象地進(jìn)行后處理，在視圖的camera進(jìn)行如下設(shè)置，這樣就調(diào)整成熱水器的實(shí)際安裝形態(tài)。

對(duì)于封閉空間的自然對(duì)流問(wèn)題，通常用穩(wěn)態(tài)求解是達(dá)不到收斂的，因此采用瞬態(tài)求解，時(shí)間步長(zhǎng)0.2s。

各邊界條件設(shè)置如下，另外，輻照強(qiáng)度590W/m2，通過(guò)heat generation加載于內(nèi)玻璃管頂部（couple面）。

環(huán)境與初始水溫均為20℃。

134.6s（約2分鐘）后，熱水器的溫度和速度如下，水在換熱管被加熱，密度減小，向上流動(dòng)到水箱，這個(gè)過(guò)程可以清楚地從溫度和速度云圖上看出來(lái)。

溫度

速度

10937.6s（約3小時(shí)）后，熱水器的溫度、速度和密度如下,集熱管表面溫度最高，約29℃，此處的密度也最低。

溫度

速度矢量

密度

另外，約3小時(shí)之后，熱水器內(nèi)的平均水溫為25攝氏度，溫升5℃。從熱水器環(huán)境邊界的熱流量可以看出，只有從水箱外部損失了3.56W的熱量，玻璃管外表面幾乎沒(méi)有熱損失，這也是真空狀態(tài)的隔熱作用。同時(shí)，也可以看出熱水器還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，水溫還要繼續(xù)上升直到熱水器環(huán)境邊界的熱損失為輻射的熱量。（模擬這三個(gè)小時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程，筆者的計(jì)算機(jī)持續(xù)工作了約5天，不想再繼續(xù)算了……）

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