1、 空冷凝汽器 U 型翅片管换热特性研究周兰欣，王智刚，李 卫华（华北电力大学电站设备状态检测与控制教育部重点实验室，保定 071003）摘要：以 U 型翅片单排椭圆管为研究对象，给出其传热过程的物理模型，通过流固界面传热耦合，应用计算流体力学( CFD)软件，对不同迎面风速下翅片换热特性进行数值模拟；并利用“场协同理论” 进行分析，得出了翅片管换热量与迎面风速的关系以及最佳翅化比，为 U 型翅片管的设计提供参考。关键词：数值模拟；场协同理论；U 型翅片管；特性研究Heat Transfer Study on U - tube of ACCZHOU Lan-xin,WANG Zhi-gang,L
2、I Wei-hua( Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:The characteristics of U-finned tube was analyzed,the physical model of the heat transfer process,which defined by the
3、 condition of coupled heat transfer of liquid-solid interface,was established and simulated by CFD software,and “field synergy principle“ is used. Then the relationships of the values of under different frontal wind velocity with the U-finned tube heat transfer were investigated,also the best finned
4、 ratio was obtained. They have great value in designing U-fmned tube.Key words:numerical simulation;field synergy principle;U-finned tube; property analysis0 前言直接空冷机组是利用空气冷却汽轮机排汽的，而空冷凝汽器椭圆翅片管的换热效果直接影响着机组的热经济性，因此研究和优化 U 型翅片椭圆管的传热效果具有十分重要的意义。近年来，国内外学者陆续开展了对翅片管的传热特性 1-6研究。Aytune Erek7等采用数值模拟的方法，分析了翅片的几
5、何结构对散热器的传热和阻力特性的影响，结果表明翅片间距对压降有相当大作用，并且随着椭圆管长短轴比的增大，换热性能提高，同时流动阻力却减小。王厚华8，9等讨论了多种表面变形片的强化传热特性，并提出了在矩形平翅片上开大直径孑 L 洞来提高其换热能力的措施；石磊等 10研究了不同迎面风速下单排椭圆管的速度场和温度场的分布，并拟合了其阻力及传热系数与风速的关系式。但针对电站直接空冷 U 型翅片管的研究，公开发表的文献并不多见。文章采用数值模拟方法对 U 型翅片管特性进行了研究，分析了迎面风速以及翅片特征对其换热的影响，为直接空冷散热器 U 型翅片管的设计提供参考。1 物理模型及计算方法1.1 空冷单元
6、物理模型直接空冷单元是由空冷凝汽器，轴流风机，A 字形框架结构组成的，如图1 所示。图 l 直接空冷凝汽器单元结构示意图空冷凝汽器的换热管束采用钢制椭圆管，并在外部钎焊铝硅合金 U 型翅片，如图 2 所示。图 2 空冷凝汽器翅片管结构示意图为了便于数值计算，将 U 型翅片简化为矩形翅片；考虑到管束的对称性，数值模拟取两根椭圆管中间的区域；在管长的方向，取两个相邻翅片的各一半区域。用 Gambit 建模型，并对椭圆翅片管进行数值模拟，分析间距不同时翅片管的换热特性。翅片结构尺寸如表 1 所列，翅片间距如表 2 所列。表 1 空冷凝汽器翅片管的结构参数 单位：mm翅片尺寸 基管尺寸长 高 厚 长轴
7、 短轴 壁厚基管纵向节距200 19 0.35 220 20 1.5 59表 2 翅片间距列表 单位：mm编号 翅片间距 编号 翅片间距1 2.4 6 3.42 2.6 7 3.63 2.8 8 3.84 3.2 9 4.05 3.01.2 网格划分在建模过程中，为了使空气入口流场均匀以及避免其出口形成回流，将模型分为 3 个区域，即进口段、翅片段、出口段，并适当将出口段延长（如图 3） ；为节省计算资源，利用贴体坐标形式11，并且采用结构化和非结构化相结合的方法进行网格划分，其总数为 456 835 个，整个计算区域的网格质量不低于 0. 85。图 3 数值模拟计算区域1.3 数值计算方法1
8、.3.1 主控方程流体区域的控制方程为雷诺平均的纳维一斯托克斯(N-s)方程。连续性方程： 0vpt动量守恒方程： 32p jijlijijjiijiji upxuxuxuxt 本构方程：ijkjiji xus32Tijjiij21采用标准 k- 湍流模式： jijiijjiji xutpkxuup 32t能量方程为： ijiiii vxkpqpvxt TE式中 i， j， k=l，2，3;p 为空气密度，kg/m 3；u 为流体速度， ms；p 为压力，Pa； 为流体动力黏性系数， Pa. .s；T ij为应力张量；s ij为应变率张量。1.3.2 边界条件数值计算过程中假设：(1)流体物性
9、参数为常数；(2)流动是定常的，且是对称的。边界条件设定：在椭圆管和翅片平面上满足对称边界条件；在管长方向取周期性条件；在管子的壁面上取恒壁温条件；进口为速度入口；出口为压力出口；翅片均为可导壁面。1.4 数值方法数值计算过程中压力与速度的耦合计算用 SIMPLE 算法 12，13 ；翅片间流体Re 数较低，故采用壁面函数法；各种变量与湍流黏性参数都利用一阶迎风格式进行离散。2 计算结果及分析2.1 空气速度场和温度场分布本文模拟了空气（迎面风速 v=1 m/s，1.2m/s，1.5m/s，1. 8m/s ,2.0 m/s ,2.4 m/s ,2.6 m/s,2.8m/s,3.2m/s,3.4
10、m/s,3. 6m/s)横掠翅片管的流动及换热情况。图 4 给出了翅片间距 h=2.8 mm 时，迎面风速 v=1.5m/s 和 v=3.6m/s 条件下，Y=1.7mm 截面空气的温度场和速度场分布。空气以 V=1. 5m/s 时横掠翅片管的速度场和 V=3.6m/s 的相比较变化不大，但温度场有着较大的区别，图 4(a)中，温度场的梯度几乎垂直于壁面，与速度场的(a)风速 v=1.5 m/s(6)风速 v =3.6 m/s图 4 温度场等值线图与速度场矢量图夹角近似 90。 ；图 4(b)中，随着风速的增高，温度梯度与速度场矢量的夹角较小，特别是在翅片的末端，换热量较强。2.2 翅片管换热
11、量与迎面风速的关系从图 5 可以看出，翅化比一定时，换热量随着迎面风速的增大而增加。据“场协同理论 ”14 -17，对流传热的强度取决于 中的速度场矢acosTU量与温度梯度的相互协同程度。由图 4 所得，迎面风速增加，a 减小，即流体速度矢量与温度梯度方向之间夹角变小，此时两者的协同程度较好，对流传热效果明显，换热量增大。图 5 翅片管换热量与风速变化曲线（ 为翅化比）当 v3. 2m/s 时，风速的增大，速度场与温度场梯度的 “协同性”基本保持不变，即 a 变化幅度较小，使得换热量的变化趋于平缓。2.3 翅片管换热量与翅化比的关系从图 6 看出，Re - 定时，换热量随着翅化比的增大而先增
12、加后减少。 “场协同理论”表明 ： Nu 的大小不仅与温度梯度和速度场的协同性有关，还与源项的温差、流速有关。当 11 时，翅片管的翅片入口特征尺寸减小，Re -定，迎面风速增大，尽管流体速度矢量与温度场梯度夹角更小。但换热面积的变化相对风速的变化更强烈，前者在影响换热方面占主要作用，换热量递减；在 11，曲线出现了拐点，使得换热量达图 6 换热量与翅化比的变化曲线到最高，故此点就是理论上设计 U 型翅片间距的最优点。2.4 翅片管换热量与翅片高度的关系对不同的翅片高度(h= 12mm，15mm，17mm，19mm，21mm22mm，25mm)进行数值模拟。从图 7看出，Re 数一定时，换热量
13、随着翅片高度的增加而先增大后减少。当 h 21mm 时，换热量随着翅片高度增高而降低，由 Re= vdv-l 得知，翅片高度增加，其入口特征尺寸变大，迎面风速下降，但此时椭圆管的传热系数的变化相对平缓（如图 8 所示） ，换热量递减。图 8 传热系数与翅片高度的变化曲线3 结 论针对直接空冷凝汽器 U 型翅片管进行数值模拟，并引用了 “场协同理论”作为对翅片换热分析的依据，得出以下结论：(1)在迎面风速较低的情况下，空气横掠翅片管时的流动强度与传热系数呈线性关系，随着风速的增加，换热效果得到增强。尤其在翅片的末端，效果更加明显，此时速度场与温度场的协同性最好。(2)随着片距的增加，换热系数成抛
14、物线的形状，有一个最高点，U 型翅片管的翅化比：= 10.511.5。(3)U 型翅片的最佳高度范围是 h=18mm 21mm。参考文献1 周兰欣，白中华，李富云，等管型和长宽比对空冷散热器换热特性的影响J汽轮机 技术，2007，49( 6)：417 - 4192 白中华，付文锋，李富云，等，空冷散热器换热特性的数值研究J 节能，2007，26(4)：25 -273 宋富强，曲治国，何雅玲，等低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究J西安交通大学学报，2002，36(9)：899 -902 4 屠珊，杨冬，黄锦涛，等椭圆翅片管空冷器流动传热特性研究J 热能动力工程，2000，15(5) ： 45
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