（环境工程专业论文）电站直接空冷式翅片管换热和流动规律及空冷单元流场特性数值研究.pdf

中文摘要 摘要：本文对直接空冷式矩形翅片双排管和蛇形翅片单排管的气侧换热和流 动特性进行了数值研究，得到了在不同迎面风速下，两种翅片管周围空气速度和 温度分布，结果显示蛇形翅片单排管的气侧换热和流动阻力性能均优于矩形翅片 双排管。 分析了蛇形翅片单排管的翅片间距和翅片高度变化对翅片整体性能的影响， 采用传热因子，与阻力因子厂的比值作为评价准则，计算结果表明，在所研究f 的工况中，翅片间距在4 5 i n n l 时，翅片管整体性能最佳，翅片高度在1 1r r 吼时， 翅片管整体性能最佳。 考察了环境来流风速、空冷平台高度、环境温度、挡风墙高度和来流风向角 五个影响因素，对空冷单元在大空问的流场特性进行了数值研究。计算结果表明 来流风速及环境温度的升高对流场影响较大，减小了散热器的排风量，降低了轴 流风机的吸风性能；而空冷平台高度对流场影响很小；挡风墙向下延伸可提高风 机吸风能力，挡风墙向上延伸对空冷单元流场作用不大；来流风向角的改变使空 冷单元流场发生较大变化，两侧散热器的排风量均呈波动性变化，随着来流风向 角的增大，轴流风机的吸风能力总体呈上升趋势。 本文的研究结果不仅对翅片管的设计及优化具有指导意义，而且可为直接空 冷机组凝汽器的设计和运行提供参考。 关键词；直接空冷，换热与流动，流场特性，数值模拟 分类号：t k l 7 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ea i r - s i d eh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wo fd o u b l er o w sr e c t a n g u l a r f i n n e de l l i p t i c a lt u b e sa n ds i n g l er o wf l a tw a v e - f i n n e dt u b ea l ei n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l y n 峙a i rv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so nt h es u r f a c eo ft h e s et w ok i n d so ff i n s a r eo b t a i n e da td i f f e r e n tf l o wv e l o c i t i e s a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea i r - s i d eh e a t t r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i co fs i n g l er o wf l a tw a v e - f i n n e dt u b ei sg r e a t e rt h a n d o u b l er o w sr e c t a n g u l a rf i n n e de l l i p t i c a lt u b e s n 地p a r a m e t e r si n c l u d i n gf i ns p a c i n ga n df i nh e i g h tt h a ti n f l u e n c es i n g l er o w f l a t w a v e - f u m e dt u b ea r eo p t i m i z e d m _ ，t off a c t o rr a t i or e a c h e sm a x i m u mw h e nf m s p a c i n gi s4 5m ma n df i nh e i g h ti s11m i l lr e s p e c t i v e l yw h e no t h e rg e o m e t r ys t r u c t u r e p a r a m e t e ra r eg i v e n t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so f ac o n d e n s e ru n i ti nd i r e c ta i r - c o o l e dp o w e rp l a n tw h i c h a l ei n f l u e n c e db yc r o s s w i n dv e l o c i t y , p l a t f o r mh e i g h t , e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ， w i n d b r e a kh e i g h ta n dt h ea n g l eo fi n c i d e n tf l o wa l ea n a l y z e dn u m e r i c a l i t t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ec r o s s w i n dv e l o c i t ya n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gd e p r e s st h e m a s sf l o wr a t et h r o u g ht h er a d i a t o r , a n da l s od e c r e a s et h em a s sf l o wr a t eo ff a n ；a n dt h e e f f e c to fp l a t f o r mh e i g h ti ss l i g h t ；t h es u c t i o nc a p a c i t yo ff a ni s i m p r o v e dw i t l lt h e w i n d b r e a kd o w n w a r dc o n t i n u a t i o n , a n dt h ee f f e c ti ss os l i g h tw h e nw i n d b r e a ku p w a r d c o n t i n u a t i o n ；a n dt h e r ei sag r e a ti m p a c to nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i cw h e nt h ea n g l eo f i n c i d e n tf l o wi sc h a n g e d t h em a s sf l o wr a t eo f f a ni n c r e a s ew i t ht h ea n g l er a i s e 1 1 圮c u r r e n tr e s u l t sc a nn o t o n l yp r o v i d e i n s t r u c t i o n sf o rt h e d e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h ef u m e d - t u b e s ，b u ta l s o s e r v ea st h er e f e r e n c ef o rd e s i g n i n ga n d o p e r a t i o no f d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r k e y w o r d s ：d i r e c ta l r - e o o l e d , b e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ， n u m e r i c a ls i t u a t i o n c l a s s n o ：t k l 7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交遥大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：。唠9 时研 导师签名： 签字日期：加7 年j 月7 7 日 签字日期：沙户朋f ) 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：、曾时碉签字日期：训7年，月，7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈梅倩副教授的悉心指导下完成的，陈梅倩副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来陈梅倩老师对我的关心和指导。 李国岫教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向李国岫老师表示衷心的谢意。 贾力教授、宁智教授、徐宇工教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的 宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨雁梅、张涛等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 概述 众所周知，电力工业生产不仅消耗大量的一次能源，同时也消耗大量的水资 源。随着火电厂中大容量高参数汽轮机组的增加，超临界甚至超超临界机组的应 用，水资源短缺的状况日益严重，而我国是一个水资源缺乏的国家，有关统计数 据表明，人均占有水量只及世界入均占有量的1 ，4 ，并且我国水资源的时空分布极 不平衡。特别是我国的“三北”( 华北、东北、西北) 地区，煤炭资源丰富，但水 资源十分贫乏。水资源的贫乏增加了将丰富的煤炭资源就地转化为电力的困难， 采用空冷机组正是解决上述矛盾的有效途径【l 】，可比常规湿冷机组节约2 3 以上的 新鲜耗水 2 1 。当前用于发电厂的空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统。直 接空冷是指汽轮机低压缸尾部的排汽通过大口径的排汽管道直接进入排入空冷散 热器管束，通过大直径风机将空气抽入排汽冷却为凝结水。问接空冷机组分为海 勒式和哈蒙式两种例：( 1 ) 海勒式空冷机组：汽轮机排汽进入混合式凝汽器与大量 循环水混合将其冷却( 循环水水质与凝结水水质相同) ，少部分水进入正常的回热系 统，大部分水进入布置在空冷塔内的散热管束，被空气冷却；( 2 ) 哈蒙式空冷机组： 汽轮机排汽进入表面式凝汽器通过大量循环水将其冷却，循环水再进入稚置在空 冷塔内的散热器管束，被空气冷却。 相比问接空冷系统，直接空冷系统具有无中间介质、传热效果好、传热面积 小、不需大型冷却塔、占地面积小、初投资相对较低、运行灵活和防冻性能好等 优点，得到了大力发展。进入2 l 世纪以来，我国在第1 0 个5 年发展计划期间， 明确指出要发展大型空冷电厂并逐步形成规模。在2 0 0 3 年国内首台2 0 0 m w 火电 直接空冷机组投产发电供热；2 0 0 4 年3 0 0 m w 机组及2 0 0 5 年6 0 0 m w 火电机组陆 续投产发电。据初步统计，我国目前在建的3 0 万千瓦空冷机组有2 0 多台，6 0 万 千瓦空冷机组有3 0 多台，发展速度空前。据统计，在全世界空冷机组的装机容量 中，间接空冷系统约占4 0 ，直接空冷系统约占6 0 ，而我国也是以直接空冷机 组居多，因此直接空冷技术具有广阔的发展前景。图1 1 所示的是直接空冷机组系 统图。 世界上第一台1 5 m w 直接空冷机组于1 9 3 9 年在德国一个坑口电站投运，至 今已有7 0 年的历史 4 1 。直接空冷技术的发展主要是围绕直接空冷凝汽器也即空冷 散热器管束进行的。空冷散热器管由芯管和翅片组成，芯管多由碳钢带制成的椭 圆形管或扁平管。当前，空冷散热器管主要有三种形式：( 1 ) 三排管：全钢制椭圆 芯管，由绕片机绕椭圆翅片：( 2 ) 两排管：全钢制椭圆芯管，靠机械张力外套矩形 翅片；( 3 ) 单排管：钢制扁平芯管，纤焊硅铝合金蛇形翅片。对电站直接空冷散热 器翅片管空气侧的流动与换热研究可为空冷散热器的设计和优化提供依据。 图1 1 直接空冷机组系统图 1 锅炉：2 - 汽轮机；3 发电机；t 空冷凝汽器： 5 轴流风机；6 凝结水箱：7 水泵 f 培1 1t h es y s t e mo f d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r 由于直接空冷凝汽器暴露在室外大气环境中，利用周围的空气作为介质来进 行冷却，所以空冷凝汽器效率和正常运行受到周围大气环境的影响因素很多，例 如风速、风向及环境温度等，另外还与邻近的建筑物或构筑物形状和大小相关。 因而对直接空冷凝汽器的研究相当复杂，它涉及到空气动力学、气象学和热力学 中的传热传质等多学科1 5 l 。通常的直接空冷凝汽器系统都由数十个空冷凝汽器单元 组成，这些空冷凝汽器单元构成了空冷岛，对整个空冷岛内的流场特性研究，特 别是针对空冷凝汽器单元层次上的流动和传热特性研究有助于空冷凝汽器的开发 与设计。 鉴于此，本文对电站直接空冷凝汽器使用较多的矩形翅片双排管和蛇形翅片 单排管的气侧换热和流动特性进行研究，为翅片管的优化设计奠定基础；针对单 个空冷单元在大气环境空间的流场特性进行研究，为空冷凝汽器的进一步设计和 开发提供参考。 1 2 研究现状 1 2 1 翅片管的研究现状 2 翅片管是散热器中的重要换热元件，在直接空冷散热器中，由于管内的换热 系数很大，而管外的换热系数很小，因此在管外侧加装翅片以强化散热效果。截 至目前，空冷元件的发展经历了三个阶段【4 】：( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代的圆管圆翅片四 排管：( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代的矩形翅片椭圆管两排管；( 3 ) 目前的单排管。其结构示 意图如图1 2 所示 6 1 。 a 5 0 年代4 排管凝汽器b7 0 年代2 排管凝汽器 c 目前单排管凝汽器 图1 2 翅片管示意图 f g 1 2s k e t c ho f f i n n e d - t u b e 对翅片管的研究主要是针对翅片管的换热和阻力性能进行研究。目前，对于 翅片管的换热及阻力性能方面的文献很多，但针对电站直接空冷式翅片管的研究， 公开发表的文献还不多见，因此针对与电站直接空冷式翅片管结构类似的圆管圆 翅片、矩形翅片椭圆管的相关文献进行了调研。 m e y e r k r o g e r ( 1 9 9 7 年) 【7 】采用实验的方法研究了不同风机、不同翅片管散热器 ( 椭圆翅片椭圆管及矩形翅片椭圆管翅片管散热器) 及不同充气室几何参数对充 气室流动损失的影响。2 0 0 1 年，m e y e r , k r o g e r i s l 对九种翅片管散热器的进口流动损 失进行了实验研究，发现空气流过散热器的进口损失与流体平均速度无关，而与 空气入口倾斜角度有关，随着入口角度的减小而增大，并且散热器翅片管的排列 方式对空气的进口流动损失有一定的影响。以上实验只考虑了流体在翅片管散热 器问的流动特性，而没有考虑翅片管的换热特性。 j o a r d a r , j a c o b i 9 1 对装有涡发生器的平直翅片管进行了风洞实验研究。m a t o s l l o 】 等先后运用数值模拟和实验的方法对叉排环形翅片椭圆管进行结构优化。 m e h m e t ，s a h i n l l l j 等运用f l u e n t 计算流体软件对平直翅片管换热器进行了三 维数值模拟，对翅片倾斜角度进行了优化计算，研究表明，翅片角度为3 0 。时为最 优，使每片的换热量达到最大。 a y t u n ce r e k b 2 1 等运用c f d 软件采用数值模拟的方法考虑了翅片的几何结构对 散热器的传热和阻力特性进行了研究，结果表明翅片间距对压降有相当大作用， 另外随着椭圆管长短轴比的增大，换热性能提高，同时流动阻力减小。 h e 【1 3 j ，宋富强【1 4 】对空气横掠翅片管换热性能进行了研究，并运用场协同原理 分析了其换热规律与场的协同性的关系。r i c a r d o t 5 1 等对平板翅片圆管进彳亍了研究。 通过可视化技术和数值模拟方法考察了翅片自j 距对换热和流动的影响，结果发现 翅片间距的变化对其换热和流动有不同趋势，在一定条件下，翅片间距存在一个 最优值。m o n i ”l 采用数值模拟的方法对四排圆管圆翅片进行了研究，结果表明翅 片表面的边界层发展取决于翅片间距与翅片高度的比值以及肌数。 张来【1 7 】对电站直接空冷矩形翅片的换热和流阻特性进行了数值研究，模型中 忽略了翅片厚度的影响，对翅片间距等相关参数综合优化。 杨立军等l i 驯采用数值模拟的方法，对蛇形翅片简化处理成矩形翅片，研究了 扁平管蛇形翅片空间的流动换热性能，针对不同空冷凝汽器管束夹角、不同空气 温度以及不同空气入口速度，对空气侧的换热和流动进行了模拟，研究结果表明， 不同的空冷器管束夹角显著影响其流动和换热特性，夹角越大，凝汽器空冷效果 越好。 胡汉波【1 9 1 对电站直接空冷式蛇形翅片单排管的换热和流动特性进行了实验研 究，结合实验并利用数值模拟方法考察了翅片长度对翅片管换热的影响，得到了 翅片管换热无量纲准则关系式： ， 胁= 3 2 7 2 3 5 4 ( - - ) 吨撕”鼬删抑2 姗1 7 。 ( 1 1 ) 以 屠珊例等采用稳态的恒壁温法对3 个椭圆翅片管空冷器和1 个圆翅片管空冷 器的传热和阻力特性进行了实验研究，得出了椭圆翅片管换热器比圆翅片管换热 器的换热性能要好，且流动阻力也要比圆翅片管换热器要小。文献【2 l 】通过实验也 得到了相同的结论，并提出对于矩形翅片椭圆管簇可以提高迎面风速来增强其传 热性能。 陈亚平等阎对椭圆铝翅片钢管空冷器的传热及流阻性能进行了实验研究，结 4 果表明，椭圆铝翅钢管具有良好的传热和流阻性能。李妩等郾1 对五种不同翅片管 型空冷器的放热和阻力特性实验研究，提出了矩形翅片椭圆管管簇放热和阻力关 系式。张鹏等瞄l 采用风洞实验方法考察了进风角度( o o 巧o o ) 对钢制椭圆翅片管散热 器热力阻力特性的影响，得出进风角度增加对传热系数影响不显著，而对气流阻 力影响较大的结论。王厚华等1 2 5 j 对大直径圆孔翅片管的传热与流阻性能进行实验 研究。 康海军瞄】等人采用实验方法研究了3 种翅片间距和3 种管排方式的9 个平直 翅片管换热器的换热和阻力性能。研究表明翅片间距对换热的影响与r p 数有关， 并且随翅片问距的增加，翅片管束的阻力减小，而管排数对阻力系数没有明显影 响。在实验r p 数范围内，相同翅片间距下，二排管的换热性能比三排管好一些， 三排管与四排管的换热性能无明显变化。 何法江1 2 7 】对空气横掠错列翅片管束流动与传热进行数值模拟研究，得到了湍 流条件下的n u 准则数和e u 准则数与觑准则数之间的关系式，并得出n u 随入口 流速的增加而增加，凸随入口流速的增加而下降的结论。张永军脚l 等利用a n s y s 软件对翅片管换热过程进行了数值模拟，总结了不同翅片管几何结构参数对对流 换热系数的影响规律，并与其实验结果进行了对比。文献 2 9 3 0 对矩形翅片椭圆 管的换热与流动特性进行了数值研究。 许伟l j l l 对平直翅片、百页窗翅片以及带纵向涡发生器的翅片的换热及阻力特 性进行了数值研究，并以传热因子_ ，与摩擦因子厂的比值j f 及j f “3 作为评价准 则对翅片性能进行评价。 李媛阻j 采用数值模拟方法，考察了平直翅片的翅片高度和翅片间距、锯齿翅 片的切开长度、波纹翅片的波幅等因素对翅片表面流动与传热性能的影响。 从上面分析可以看出，国内外学者通过实验、理论以及数值模拟方法对圆管 圆翅片以及矩形翅片椭圆管的换热和阻力特性方面进行了大量的研究，取得了很 多科研成果，但针对电站直接空冷式翅片管的研究，还不够完善，如在实验中， 没有考虑换热性能；在数值模拟方面，矩形翅片双排管的模型中没有考虑翅片及 管壁厚度；对蛇形翅片管的流动换热性能研究中，简化了翅片结构；另外对蛇形 翅片单排管的换热特性研究方面，分析了蛇形翅片长度对翅片管换热的影响，没 有考虑翅片间距和翅片高度对翅片换热的影响。 1 2 2 电站空冷器的研究现状 由于电站直接空冷器暴露在大气环境中，因而其运行特性受环境因素的影响。 在电站直接空冷器研究方面，d u v e n h a g e l 3 3 1 等利用p h o e n i c s 软件，采用j 一占湍 5 流模型对水平布置空冷散热器的三维流场进行数值模拟研究，发现横风沿着平行 于空冷器的长轴方向，大大降低了迎风侧风机驱动的空气体积流率，而当横风沿 着纵向轴方向时将导致热空气回流增加。 m e y e r d 4 1 采用数值模拟的方法考察进口流体变形对空冷散热器运行的影响，研 究发现，针对两组空冷器，外围进口流动损失主要受制于在风机进口部分的凸缘 处周围出现的流体分离；通过在风机平台安置通道或者去除外围风机入口部分， 可以减小流动损失。 m e y e r g r o g e r d 5 l 利用c f d 软件采用七一g 湍流模型，把散热器处理成多孔介质 区域，应用数值模拟的方法考察了风机运行性能对空冷器充气室的空气动力学特 性的影响。研究表明随着设置在轮毂上风机叶片安装角以及风机运行时体积流率 的变化，影响了充气室的空气动力学特性。 b r e d e l l 3 6 1 等使用f l u e n t 软件，采用七一占湍流模型，并把a 字型的散热器处 理成水平布置的多孔介质，对轴流风机运行性能进行了数值研究。h o t c h k i s s p7 1 等 也使用f l u e n t 软件，采用t 一占湍流模型，利用数值模拟的方法考察了横向风对 轴流风机运行性能的影响。 张遐龄等【3 8 1 采用标准七一占湍流模型对电站直接空冷凝汽的换热特性进行数值 模拟，并根据计算结果提出增加空冷平台最外一圈风机功率及在空冷平台下方修 建挡风建筑以提高空冷平台换热效率的建议。 赵文升等1 3 9 j 对直接空冷系统中热风回流现象进行了数值模拟研究，分析了热 风回流发生的原因及其对空冷机组的影响。文献 1 9 1 对a 字型单个空冷单元内三维 流动进行了数值研究，分析了不同运行工况( 风机转速、风机叶片安装角) 以及 环境因素( 横向风速度、环境温度) 对凝汽器单元流场特性的影响规律。 在风洞实验方面，z h i f ug u 【4 4 2 1 等应用相似准则原理对大型直接空冷系统进 行风洞模拟实验，并提出用回流率的概念作为衡量冷凝器效率的指标，其表达式 为： c r ( o = 塑鬻鬻豢鬻糕铲塑川。( 1 - 2 )2 1 溉醺丽丽骊面瓦两磊广1 u u w 0 g ( ) 5 。1 0 0 ( 1 3 ) 式中c 为整个空冷系统的总回流率。 实验结果表明，风速、空冷平台高度和来流风向角对冷凝器的效率有着重要影响。 赵顺安【4 3 】等通过2 0 0 m w 机组直接空冷装置空气动力模型实验，研究了空冷装 置的空气动力特性、空冷凝汽器和高架平台下建筑物对空冷流场的影响以及平台 的不同高度对阻力系数的影响，给出了2 0 0 m w 空冷装置的气流总阻力系数及沿程 6 各部分的阻力系数。结果表明，风机口靠近风机侧的风机进风量较大，汽机房附 近的风机进风量较小，其余大体均匀；平台高度的变化未对气流总阻力系数构成 影响。 苏成伟m 】等设计了凝汽器单元传热性能实验系统，可为直接空冷换热器的换 热机理、表面积灰、热空气回流等空冷凝汽器性能的影响等关键问题进行试验研 究。 综上不难发现，空冷散热器的流场受环境风速、平台高度、来流风向角以及 风机叶片安装角等因素的影响；在数值研究研究方面，均采用| 一占湍流模型，此 外把空冷散热器简化处理成水平布置的多孔介质，而电站直接空冷单元两侧散热 器是互成角度，呈a 字型布置，因而对散热器呈a 字型布置的空冷单元流场特性研 究显得十分必要。 1 2 3 本文研究内容 综上所述，在翅片管的换热和流动特性研究方面，前人已经取得很大成就， 但针对电站直接空冷翅片管的换热和流动特性方面还不完善，针对直接空冷凝汽 器的流场特性研究较多，但仍有不足，尤其是对互成角度的a 字型空冷散热器在 大空间的流场特性研究比较缺乏，为此本文主要进行如下的研究内容： ( i ) 建立矩形翅片双排管物理数学模型，利用数值模拟方法对双排管的换热及 流动特性进行研究：分析迎面风速对i j 、后排翅片管的气侧换热及阻力性能的影 响； ( 2 ) 建立蛇形翅片单排管物理数学模型，利用数值模拟方法对蛇形翅片单排管 的气侧换热及流动特性进行分析研究，并与矩形翅片双排管的气侧换热及流动阻 力性能进行比较； ( 3 ) 利用数值模拟方法分析蛇形翅片单排管的翅片间距及翅片高度对翅片管 的气侧换热和流阻性能的影响，并进行优化分析； ( 4 ) 建立a 字型直接空冷凝汽器单元物理数学模型，考虑各主要影响因素，利 用数值模拟方法对空冷单元在大空间的三维流场特性进行分析研究。 7 2 矩形翅片双排管换热和流动的数值模拟 本文采用数值分析方法研究矩形翅片双排管的气侧换热及流动特性，主要分 析不同迎面风速和不同翅片间距两个影响因素对翅片管气侧平均换热系数及流动 阻力的影响，为矩形翅片双排管的设计及优化提供参考。 2 1 矩形翅片双排管的物理数学模型 电站直接空冷式矩形翅片椭圆管双排管示意图如图2 1 所示。第一排( 前排) 翅片管翅片间距为4 m m ，第二排( 后排) 翅片管翅片间距为2 5 m m 。其翅片及椭 圆基管结构尺寸如表2 1 所示。 图2 1 矩形翅片双排管示意图 f i g 2 1s k e t c ho f d o u b l er o w sr e c t a n g u l a rf i n n e de l l i p t i c a lt u b e s 表2 1 直接空冷矩形翅片双排管结构尺寸( 单位：m m ) 椭圆基管 翅片翅片间距管束间距 横向纵向 长轴短轴厚度长度宽度厚度前排后排 间距间距 1 0 02 01 51 1 94 9o 3 542 5 1 2 5 5 0 由于前、后排翅片间距不同，建立模型时考虑两排翅片管的周期性及翅片管 本身的对称性，选取前排翅片管三个翅片( 最上面的翅片取其厚度的一半) 和后 排翅片管五个翅片( 最上面和最下面的翅片各取其厚度的一半) 整体区域的一半 作为研究对象，如图2 2 所示；并将计算区域入口边界及出口边界分别适当延长， 以避免入口处的入口效应和出口边界的回流现象对计算结果产生影响。用 g a m b i t 建立模型，如图2 3 所示。 8 图2 2 双排翅片管几何模型 f 培2 2g e o m e t r ym o d e lo f d o u b l e r o w sf i n n e de l l i p t i c a lt u b e s 图2 3 双排翅片管计算区域模型 f i g 2 3c o m p u t a t i o n a ld o m a i no f d o u b l er o w sf i n n e de l l i p t i c a lt u b e s 为了便于计算，对双排翅片管物理模型作如下简化假设： ( 1 ) 计算区域中的换热与流动是稳态的； ( 2 ) 计算区域中的空气为不可压缩气体； ( 3 ) 不考虑椭圆基管和翅片的辐射换热； ( 4 ) 椭圆基管和翅片的导热系数为常数； ( 5 ) 流体在固体壁面上无滑移： ( 6 ) 忽略椭圆基管轴向导热影响。 在前处理g a m b i t 软件建立模型后，对其进行划分网格。对矩形翅片双排管 计算区域的网格划分方法为：采用分块画网格方法，先对模型进行初步网格划分， 对计算结果进行分析，观察各控制方程的收敛性是否理想，计算结果的速度场和 温度场趋势是否合理，在此基础上，对网格进行加密，直到网格的步长大小对计 算结果影响忽略不计时，才最终确立网格大小及分布。对矩形翅片双排管计算区 域划分的网格总数为1 0 3 0 9 9 5 个，网格如图2 4 所示。 9 ( b ) 进口处网格 2 2 控制方程 ( a ) 整体网格分布 ( c ) 出口处网格 图2 4 网格图 f i g 2 4m e s ho f t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n 针对矩形翅片双排管气侧的换热和流动计算，拟采用标准k 一占双方程湍流模 型进行模拟，各控制方程可写成如下形式【4 5 】： 连续性方程： 盟+ 丝+ 丝：o 苏却如 ( 2 - 1 ) 心鲁+ b 詈+ 也罢一p 1 考+ v c 鲁+ 旁+ ( 2 - 2 )心意+ b 茜鹄云一言( 紊+ 铲+ 管 能量方程： 蚝塞+ q 考+ 虬鲁= 瓦a 嘧0 2 t + 矿o z t + _ ) a 2 t ( 2 - 3 )蚝瓦+ q 面+ 虬瓦2 瓦嘧+ 矿+ _ ) 固体部分( 导热方程) ： 冀o x + 等+ 鲁= o g 哪 2 。却2 。如2 。 卜一 湍动能方稗： 昙(蹦护丢+拿考】+q一伊(2-5)ox 蕊lo i 蕊。 湍动能耗散率方程： 毒( 鹏沪毒卧+ 白a + c l 嚷一c 2 。p i , o x j 8 2 ( 2 - 6 ) 上述式中：p 一空气密度，l 【g m 。；一x 。方向的时均速度，m s 一； 善，一直角 坐标的三个轴坐标，f 分别代表x , y ，z 方向；p 一空气压力，p a ；c 。一比热容， j k g k ；一流体动力粘度；4 一湍动粘度，鸬= q p 等；k 一湍流脉动动能， m 2 s 。：占一湍流粘性耗散率，k g m 一s 一；以一湍流动能的p r a n d f l 数；一湍 流粘性耗散率的p r a n d t l 数；c l 。，c 2 。，巴为一些经验系数。标准七一s 双方程模型中 各参数按表2 2 取值。 表2 2 标准k 一占双方程各参数值 c l 。g 。巳吼l 1 4 41 9 2o 0 9 i o o 1 3 0 2 3 数值计算方法 数值模拟采用有限体积法，各方程离散均采用二阶迎风格式，压力一速度耦 合使用s i m p l e 算法。 2 4 壁面函数法 在受壁面限制的流动中，因为壁面附近流场变化梯度大，所以壁面对湍流计 算的影响很大。在f l u e i n 湍流模型中假定湍流各向同性的，因此要在壁面进行 特殊处理。处理的方法是用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接 起来，即壁面函数法 4 5 1 。本文采用标准壁面函数法。 2 5 边界条件和物性参数 针对矩形翅片双排管气侧换热和阻力特性模拟计算，需设置相应的边界条件 和物性参数。 韭裒奎通太堂亟堂僮论塞矩形翅丘题接管逸热塑速弛盥熬值搓熬 2 5 1 边界条件 针对矩形翅片双排管的换热与流动模拟，对其计算区域模型，如图2 3 所示， 进行相应的边界条件设置： 流体入口采用速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件；椭圆基管壁面为 壁面边界条件，其他为对称边界条件。 考虑椭圆基管及翅片厚度，采用流固耦合方法来确定翅片及管外壁面与空气 的换热。 2 5 2 物性参数 空气：来流空气温度为2 9 3 k ，其密度为1 2 0 5k g m 。，定压比热为 1 0 0 5j k g k 一，导热系数为0 0 2 5 9w m k ，动力粘度为 1 8 1 4 7 e - 0 5 k g r a 一s 一： 基管及翅片：椭圆基管及翅片材料为碳钢，其密度为7 7 9 0 k g m 。，定压比热为 4 7 0 j k g k ，导热系数为4 3 2 w m k 一，基管壁面温度为3 2 7 k 。 2 6 收敛准则 采用f l u e n t 软件默认的收敛准则，能量的计算残差要求小于1 0 e 6 ，其它各 项的计算残差要求小于1 0 e 3 ，最终计算结果的稳定性和收敛性都要符合要求。 2 7 数据处理 ( 1 ) 空气流经翅片管的流动阻力： p = p m p 式中：儿为进1 3 平均压力；为出1 ：3 平均压力。 ( 2 ) 气侧平均换热系数h ： h ： 垒 a ( r ) h 式中； q = 肘e a t a t = 乙一死 ( 2 - 7 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) c 吼= 彘若貉翁 上式中，q 为换热量，m 为空气质量流量；q 为空气定压比热；4 为翅片管气侧 换热面积：丁为空气温升即空气进出口温差；z 删为空气流经翅片管出口温度；瓦 为来流空气温度；为椭圆基管温度；( a t ) ，胂为对数平均温差。 2 8 模型验证 为了验证所选计算模型的合理性，对文献【2 0 】中的三排椭圆翅片椭圆管进行模 拟，计算结果如图2 5 所示。 董 司 r 蛊 稃 壤 1 6182 02 22 42 62 8 3 03 23 43 6 3 8 迎面风速咖s 图2 5 计算值与实验值的比较 f i g 2 5c o m p a r i s o nb e t w e e nn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 计算结果表明，翅片管的气侧流动阻力模拟值与文献的试验值最大误差为 1 3 8 ，计算误差在可接受范围之内。 2 9 计算结果与分析 考察迎面风速为1 5 4 5 m s ，对矩形翅片双排管的流动和换热特性进行 计算分析。图2 6 显示在不同迎面风速下翅片表面温度分布。 寻加柏 ( a ) 迎面风速为2 m s 。1 时的翅片表面温度分布 ( b ) 迎面风速以为4 m s “时的翅片表面温度分布 图2 6 不同迎面风速f 翅片表面温度分布图 f i g 2 6t i 碡t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so nf i n n e ds u r f a c e a td i f f e r e n tf l o wv e l o c i t y 从上图中可以看出，对于前后两排翅片管，沿着空气流动方向翅片前端部分 的温度梯度较大，温度逐步升高，且后排管的翅片表面平均温度要高于前排，这 主要是因为空气流经前排翅片管，经对流换热吸收热量空气温度升高，使得进入 后排翅片管的空气温度高于进入前排翅片管的空气温度，从而影响了后排翅片管 的换热。从来流风速上看，风速越大，前、后排翅片表面温度等值线越密，温度 梯度加大，说明换热性能得到提高。 图2 7 所示为不同截面处的速度分布。 1 4 ( a ) z = 1 2 5 i n l 处速度分布 ( b ) z = 2m i l l 处速度分布 图2 7 不同截面处速度分布图 f i g 2 7t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n so nd i f f e r e n ts e c t i o n s 从上图中可以看出越靠近两相邻翅片间距的中心位置，空气速度越大，这是 因为空气受到粘性力阻滞的影响，越靠近壁面流体的阻力越大，动能损耗越大。 沿着流动方向，越靠近椭圆管短轴截面，流体的速度越高，这主要是由于空气的 流通面积逐渐减小所导致。图2 8 描述的是椭圆管尾部速度矢量图。 图2 8 椭圆管尾部速度矢量图 f i g 2 8t h ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t yv e t ：t o r 从图中可以看出，沿着流动方向流体在椭圆管尾部表面产生分离并形成低速 漩涡。 2 9 1 迎面风速对矩形翅片双排管的换热与流动的影响 本文对不同迎面风速进行模拟计算，分析矩形翅片双排管的换热与流动特性。 图2 9 所示的是前后两排翅片管散热量随迎面风速变化的曲线图。 2 5 砉2 0 袭1 5 拯 1 0 5 1 52 02 53 03 54 05 迎面风速m s 1 图2 9 翅片管散热量随迎面风速变化曲线图 f 谵2 9h e a tt r a n s f e ro f f i n n e d - t u b e sv a r i e sw i t hf l o wv e l o c i t y 从上图可以看出，随着迎面风速以的增大，前、后两排翅片管散热量逐渐增 大；当以较小时，前排翅片管的散热量要高于后排，如在以为2 i t i s 4 时，前排翅 片管的散热量占总散热量的5 7 ，约在以为3 5 m s 。左右，前、后排翅片管的散 热量相当，随着迎面风速的进一步提高，后排翅片管的散热量将大于前排，如在n 为4 m s 4 时，后排翅片管的散热量占总散热量的5 l 。这可由图2 1 0 解示。 图2 1 0 所示的是流体流经前、后排翅片管的温升随迎面风速变化的曲线图。 司 索 赠 r 制 1 52 o2 53 03 54 04 5 迎面风速m s - i 图2 1 0 空气温升随迎面风速变化曲线图 f i g 2 i o a i r t e m p e r a t u mr i s ev a r i e sw i t hf l o wv e l o c i t y 由能量守恒可知，翅片管的散热量等于空气带走的热量。由于空气流经前、 后排翅片管时，其物性参数不发生变化，所以散热量取决于空气的温升。从上图 中可知，当”在1 5 3 5 m s 4 范围内，流经前排翅片管的空气温升大于流经后排 管时的温升，约在以为3 5 m s 。1 左右，温升相同；当以在3 5 - - 4 5 m s 。范围时， 流经后排管的空气温升大于流经i ； 排管时的温升。 图2 1 1 描述了翅片管气侧平均换热系数随迎面风速的变化曲图。 1 4 0 1 2 0 营1 0 0 q 8 0 r 翻 擦 瑗4 0 2 0 0 1 52 o2 53 03 54 04 5 迎面风速f 自，m f 图2 1 2 气侧流动阻力与迎面风速的关系 f i g 2 1 2p r e s s t u ed r o pv a r i e sw i t hf l o wv e l o c i t y 1 7 “ 铊 h 弛 i_鲥，日籁嶙壤辅露 从气侧流动阻力方面，可以看出随着迎面风速的提高，空气流动阻力将增加。 在同一风速下，空气流经后排翅片管的阻力要高于流经前排翅片管时的阻力，约 为流经前排翅片管阻力的2 倍，如在迎面风速为2 5 m s 。时，空气流经前、后 排翅片管的阻力分别为2 1 7 1 7 p a 和4 1 0 4 4 p a ，这主要是因为后排翅片管间距小， 空气流经后排翅片管时平均速度梯度大，流体的粘性力大，流动阻力增加。 2 9 2 翅片间距对矩形翅片双排管的换热与流动的影响 本文针对前、后排翅片间距均为2 5 1 1 1 1 1 1 和4 m m 进行计算。图2 1 3 和图2 1 4 显示的是不同翅片问距下气侧平均换热系数与流动阻力随迎面风速的变化曲线。 乙 ， 砉 籁 幡 辑； 露 融 霹 1 52 02 53 03 54 04 5 迎面风速f i l m s 1 图2 1 4 不同翅片间距气侧流动阻力随迎面风速的关系 f i g 2 1 4p l c l s u r ed r o pv a r i e sw i t hf l o wv e l o c i t i e sa td i f f e r e n tf i ns p a c l n g 从图2 1 3 和图2 1 4 中，不难看出，翅片间距越小，气侧平均换热系数越大， 同时流动阻力也相应增加，这主要是由于翅片问距减小，流体的平均速度增大， l s 拗寻伽m伽伽寻 _-直，r匣臀喏 相邻两翅片的流体扰动增大，使换热增强，但同时流动阻力也升高。在所研究范 围内，对于翅片间距均为2 5l n n l 时，气侧平均换热系数增加了约3 3 ，流动阻力 增加了约2 8 2 ；对于翅片间距均为4 m m 时，气侧平均换热系数增加了约3 1 ， 流动阻力增加了约2 8 6 。 2 1 0 本章小结 本章首先采用标准七一占双方程湍流模型对三排椭圆翅片椭圆管空冷器的气侧 流动阻力实验值进行验证，计算误差在可接受的范围内；在此基础上，分析了不 同迎面风速及翅片间距对矩形翅片双排管的气侧换热及流动特性的影响，得到了 前、后排翅片管气侧的流场及温度场信息。 计算结果表明，在换热特性方面，随着迎面风速的增大，翅片管的换热性能 得到提高：在同一迎面风速下，由于前、后排翅片间距不同，使前、后排翅片管 的散热量不同；当以 3 5m s 4 时，后排翅片管的散 热量占主导；阻力特性方面，迎面风速增大，气侧流动阻力增大，空气流经后排 翅片管的阻力约为流经前排翅片管的2 倍。 1 9 3 蛇形翅片单排管换热和流动的数值模拟 本文采用数值分析方法分析不同迎面风速及不同几何结构尺寸对蛇形翅片单 排管的气侧换热和流动阻力特性进行研究，并采用传热因子，与阻力因子厂的比值 j f 作为评价准则，分析翅片间距和翅片高度的变化对翅片管整体性能的影响， 为蛇形翅片管的设计及优化提供理论参考。 3 1 蛇形翅片单排管物理数学模型 电站直接空冷式蛇形翅片单排管为扁管芯管纤焊硅铝合金蛇形翅片，呈“几” 字型排列，其结构示意图如图3 1 所示，结构尺