矩形翅片椭圆管空冷侧空气流动热力过程的三维数值模拟
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摘要：利用Flunet软件对发生在电站空冷器矩形翅片椭圆管翅片表面空气流动和传热过程进行了数值模拟，获得了有代表性的翅片表面温度分布、压力分布、表面气流速度矢量图和相关计算结果。分析了翅片入口风速对翅片表面的温度、气流流动、换热系数、换热量的影响。
关键词：FLUNT；翅片椭圆管；气流；换热；风速
中图分类号：R122.2+4 文献标识码：A 文章编号：
0 前言
我国是一个水资源短缺的国家，随着国家电力建设可持续发展战略的实施，水资源缺乏已成为困扰我国北方主要产煤区火电建设发展的主要因素之一。空冷技术作为一项经济而又相对环保的节水途径，就是为解决在“富煤缺水”地区或干旱地区建设火力发电厂而逐步发展起来的。
本文利用FLUENT 软件，在对物理模型进行了合理的简化处理的基础上，对空冷器翅片椭圆管翅片表面的空气流动和传热情况进行了模拟计算研究，分析了翅片的入口气流速度对于翅片表面温度分布、气流流动、翅片换热系数和换热量的影响，并得出相关结论。
1 翅片椭圆管简介
空冷器中常采用翅片换热器来增强其换热效果，其基本构造是制冷剂在铜管中流动，根据不同结构的尺寸或者换热量要求，换热器可是一排或多排，翅片也有平片、波纹片及冲缝片等不同形式。它整个的换热过程为：冷凝器换热铜管中高温制冷剂气体的热量通过导热的形式传递给了套在其外面的翅片，翅片上的热量再以对流方式传递给了翅片表面的冷空气（常温），通过不停地吹入新的冷空气来达到增强冷却的作用。由于换热铜管外套的翅片的形状不同，换热的效果自然有好坏之分。
2三维模拟计算过程
2.1 计算工况和计算域的确定
计算工况选取冷凝器中制冷剂的冷凝过程，此时冷凝器中的翅片向外界散热，选取319K为冷凝温度，本问题中的计算域为双翅片空气流过的区域。翅片结构的各种参数见如下表。
表1 翅片椭圆管参数表
2.2 物理模型的建立—GAMBIT 建模
建立三维模型和网格划分及边界条件的设定在GAMBIT 模块下完成，这是FLUENT计算的前处理过程，网格为四面体网格，网格总数分别为19271 个，网格质量在以0.8下在GAMBIT模块下设定其边界类型与流体类型如下：进口为速度入口，出口为自由压力出口，管壁为恒温边界条件，边界为恒温边界条件，流体为空气（设为理想气体）。
2.3 模拟计算过程
2.3.1 对其物理模型进行了如下简化处理：
（1）由于翅片椭圆管采用壁厚为0.5mm的，所以铜管壁厚的导热温差可忽略，即取铜管外壁温度319K，外界气流温度290K。
（2）忽略由于温差引起的辐射换热。
（3）忽略翅片和铜管外壁面的接触热阻，认为翅片根部温度和铜管外壁面温度相同。
图1翅片计算域网格化示意图
在简化的物理模型下建立其数学模型，可以用以下四个方程来表示：
(1)连续性方程：
（1）
(2)动量方程：
（2）
(3)能量守恒方程：
（3）
式中—气体密度，；—气体静压力，。
其中是有效传热系数，是有效传热系数，是湍流传热系数；是扩散流量；
（4）
（5）
式中—气体速度，；—气体焓，；—气体单位质量传热量；—气体定压比热，
另外，空气流动采用标准- 模型：
(6)
(7)
式中
其中Gk为湍动能,
各边界条件设定如表4-2（环境压力为一个标准大气压）。
表2 边界条件参数设定表
其中大气湍流参数k和ε由文献[23]中的经验公式求得：
(8)
（9）
其中，是横向风速，湍流强度，湍流积分尺度，Z是建筑物参考高度。
模型求解采用压力—速度耦合的SIMPLE方法。利用gambit模块建模完成后，将mesh 文件导入FLUENT，模拟计算在FLUENT下完成，计算只在管外进行，翅片椭圆管表面温度采用自身导热和表面对流换热的耦合的方式，经计算机迭代计算后最终得出收敛结果。
3 模拟计算结果分析
利用GMABIT和FLUENT画出不同入口气流速度情况下翅片椭圆管表面温度等值线图、温度分布图、压力分布图、速度矢量图。
（1）入口气流速度为2m/s ，3m/s,4m/s时的翅片椭圆管表面温度等值线图
图2 翅片椭圆管表面温度等值线图 (入口气流速度为2m/s)
图3翅片椭圆管表面温度等值线图 (入口气流速度为3m/s)
图4 翅片椭圆管表面温度等值线图 (入口气流速度为4m/s)
（2）入口气流速度为2m/s ，3m/s,4m/s时的翅片椭圆管表面温度分布图
图5 翅片椭圆管表面温度分布图(入口气流速度为2m/s)
图6 翅片椭圆管表面温度分布图(入口气流速度为3m/s)
图7 翅片椭圆管表面温度分布图(入口气流速度为4m/s)
（3）入口气流速度为2m/s ，3m/s,4m/s时的翅片椭圆管表面压力分布图
图8翅片椭圆管表面压力分布图(入口气流速度2m/s)
图9翅片椭圆管表面压力分布图(入口气流速度为3m/s)
图10 翅片椭圆管表面压力分布图(入口气流速度为4m/s)
(4) 入口气流速度为2m/s ，3m/s,4m/s时的翅片椭圆管表面风速矢量图
图11翅片椭圆管表面气流速度矢量图(入口气流速度为2m/s)
图12翅片椭圆管表面气流速度矢量图(入口气流速度为3m/s)
图4-13翅片椭圆管表面气流速度矢量图(入口气流速度为4m/s)
4分析与结论
（1）由气流速度矢量分布图可见，空气在靠近翅片椭圆管前后表面处速度较小，而在主流区域内速度值变化不大.由气流速度矢量图还可以看出,在椭圆管的背风侧产生涡脱落现象,这是由于缝隙流的偏向,把管前的分离流带向外侧,使之不再能顺利地附在管后表面,该流动背风侧气流速度急剧下降。这是由于在椭圆管管的下游存在一个回流区,该区由涡旋组成,流体在回流区的流动具有滞流的特征,流速低于主气流的流速。在回流区的外侧是一个高速的旁通流区,回流区是对流换热较弱的地方,而这与图所表明的相一致。
（2）由温度等值线图可见，在气流出口端等值线稠密度（4m/s）>等值线稠密度（3m/s）>等值线稠密度(2m/s),入口气流速度越大温度梯度也越大，可见入口气流速度大换热效果更好。
（3）由温度分布情况可见，椭圆管表面空气温度随流体流动方向逐步升高，然后下降。翅片迎风面换热效果明显高于背风面的换热效果,这是由于一方面迎风面的气流速度高于背风面;另一方面产生的斜向绕流冲刷管束,使管壁的速度边界层变薄,从而增大了冲刷管面的换热系数;翅片背风面的温度分布等值线是不光滑的,存在较大的局部温度梯度,这是由于背风面气流速度的不均匀性造成的。入口气流速度越大涡旋区域越小，而且涡旋区域温度明显低于入口气流速度小的涡旋区域温度，可见入口气流速度越大，换热效果越好。
（4）由压力分布情况可见，压力随流体流动方向整体逐渐降低，在进口端有一个压力突增区，在出口端转低后又增高，后逐渐降低。进口端突升是椭圆管对气流产生的阻力引起的，出口端降低是因为存在涡旋区域。整体而言迎风侧压力高于背风侧相应点的压力,沿流动方向压力逐渐降低。
（5）研究结果表明:换热管翅片迎风面换热效果明显高于背风面;换热管下游存在回流区,背风侧气流速度急剧下降;换热管迎风侧压力高于背风侧相应点的压力, 压力沿流动方向压力逐渐降低。
（6）相同工况下，入口气流速度增大使翅片椭圆管背风处气流流速增大，换热得到了强化,从而增强其整体换热性能。
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