謝潔飛，張 宇，羅武生，尹 點

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

空氣——空氣冷卻器（簡稱空——空冷卻器）是目前風力發(fā)電機組中常用的一種關(guān)鍵設(shè)備，是利用環(huán)境空氣冷卻發(fā)電機組內(nèi)部的熱循環(huán)空氣，從而起到降低發(fā)電機組內(nèi)部溫度，提高發(fā)電機組運行壽命的作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征的不同，空——空冷卻器可以分為管式、板式、擴展表面式、以及再生式換熱器等四類。其中，板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、對數(shù)平均溫差大、占地面積小、重量輕等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、制冷空調(diào)、電力等多個工業(yè)領(lǐng)域。本文主要采用SolidworksFlowSimulation插件，對某風力發(fā)電機組用鋁箔片平板式空——空冷卻器性能進行數(shù)值模擬，分析冷熱空氣介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流動速度、溫度、壓力及其流動軌跡的流場分布，從而為該換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定理論分析基礎(chǔ)。

1 冷熱空氣流動控制方程與湍流模型

1.1 流動控制方程

換熱器冷熱空氣流體內(nèi)部流動屬于一種三維、粘性、非定常湍流流動，其運動規(guī)律符合納維——斯托克斯控制方程，包括：

質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式（1）~（4）中：u=ui+vj+wk；u、v、w分別為流速在 x、y、z坐標方向的分量；ρ為流體密度；μ為流體動力密度；P為流體壓力；Su、Sν、Sw為流體源在 x、y、z坐標方向的分量；Cp為比熱容；T為溫度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；ST為粘性耗散項。

1.2 氣體湍流模型

空——空冷卻器內(nèi)部流動狀態(tài)為紊流，求解冷熱空氣流動控制方程非常困難，工程上主要采用時均方程加紊流模型的求解方法進行求解。若不考慮用戶自定義的源項，則常用的標準兩方程k-ε紊流模型可以分別表示為：

紊動能方程：

紊動耗散率方程：

2 三維模型與網(wǎng)格劃分

空——空冷卻器主要是采用四個結(jié)構(gòu)形式和尺寸都完全相同的換熱機芯并聯(lián)組合而成，每個換熱機芯都是通過特殊工藝將多個很薄的鋁箔片疊加而成的一種板片式換熱器。相鄰兩片鋁箔片邊緣折疊形成1個換熱流道，每片鋁箔片兩側(cè)分別對應(yīng)室內(nèi)循環(huán)、室外循環(huán)氣流流道，且內(nèi)外循環(huán)氣流完全分開。室內(nèi)和室外循環(huán)空氣氣流分別經(jīng)過內(nèi)外循環(huán)風機加壓，輸送至換熱機芯，以90度交叉方式通過換熱機芯流道，并經(jīng)由鋁箔片進行熱量交換，溫度由較高的內(nèi)循環(huán)一側(cè)傳遞到較冷的外循環(huán)一側(cè)，從而實現(xiàn)將內(nèi)循環(huán)熱量帶走，起到冷卻內(nèi)循環(huán)的目的。

圖1 換熱機芯三維模型

根據(jù)鋁箔片平板式空空冷卻器的設(shè)計要求，采用Soli dworks軟件建立了該冷卻器一組兩個相鄰換熱機芯的三維模型，如圖1所示。

Solid works Flow Simulation采用自適應(yīng)直角坐標網(wǎng)格方法進行三維實體網(wǎng)格劃分，控制方程采用Navier-Stokes方程，湍流模型采用標準k-ε雙方程模型，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)的半經(jīng)驗公式。在Solid works Flow Simulation中對三維模型進行自適應(yīng)直角網(wǎng)格劃分，得到流體區(qū)域網(wǎng)格單元53614個、固體區(qū)域網(wǎng)格單元744個，部分網(wǎng)格單元339262個，總網(wǎng)格單元共計393620個。

3 數(shù)值計算方法與邊界條件

在冷卻器冷熱空氣流體流動控制方程中，動力方程為壓力速度耦合方程，主要采用計算效率比較高的標準SIMPLE方法求解，湍流模型方程主要采用二階迎風格式進行離散求解，代數(shù)方程迭代計算采用亞松弛進行。

在Solid works Flow Simulation模塊中建立空空冷卻器換熱機芯數(shù)值分析模型。首先指定熱空氣流體子域為內(nèi)循環(huán)通道，冷空氣流體子域為外循環(huán)通道，設(shè)置換熱板片材料為鋁箔片材料3A21，其它默認。其次，假設(shè)空空冷卻器內(nèi)循環(huán)通道進口的熱空氣溫度為75℃，進口流量為14000m3/h，內(nèi)循環(huán)熱空氣出口壓力設(shè)置為靜壓條件，其它設(shè)置為默認；外循環(huán)通道進口的冷空氣溫度設(shè)置為38℃，進口流量設(shè)置為2200m3/h，其它設(shè)置為默認。最后分別設(shè)置熱空氣和冷空氣出口平均溫度為收斂目標后運行求解。

4 數(shù)值模擬與分析

4.1 溫度場分布圖

數(shù)值模擬計算后得到溫度場三維分布如圖2和圖3所示，從圖2和圖3中的流動跡線可以清楚地看出冷熱空氣在數(shù)值模擬過程中溫度的變化情況。其中，圖2表示內(nèi)循環(huán)通道內(nèi)熱空氣溫度的分布圖，代表溫度的顏色由紅色逐漸變?yōu)樯钏{色，說明熱空氣被逐漸降溫，溫度從75℃逐漸降到53.98℃；圖3表示外循環(huán)通道內(nèi)冷空氣溫度分布圖，代表溫度的顏色由深藍色逐漸變?yōu)榧t色，說明冷空氣被逐漸加熱，溫度從38℃逐漸上升到48.55℃。

圖2 熱空氣溫度變化分布圖

圖3 冷空氣溫度變化分布圖

4.2 壓力場分布

數(shù)值模擬計算后得到壓力場三維分布如圖4和圖5所示，從圖4和圖5中的流動跡線可以清楚地看出冷熱空氣在數(shù)值模擬過程中壓力的變化情況，內(nèi)循環(huán)通道內(nèi)熱空氣壓力與外循環(huán)通道內(nèi)冷空氣壓力都存在不同程度的降低，熱空氣壓力降900Pa左右，冷空氣壓力降550Pa左右，模擬結(jié)果與實際情況相符。

圖4 熱空氣壓力變化分布圖

圖5 冷空氣壓力變化分布圖

4.3 速度矢量場分布

數(shù)值模擬計算后得到速度矢量場三維分布圖如圖6和圖7所示。從圖6中可以看出熱空氣進入內(nèi)循環(huán)通道后速度逐漸增加，在通道中間達到最大，然后再逐漸慢慢下降，直至出口處降到最低。從圖7中可以看出冷空氣在外循環(huán)同一通道內(nèi)速度變化不是很大，但外循環(huán)不同通道內(nèi)速度變化較大，表明單個換熱機芯中外循環(huán)不同通道內(nèi)冷空氣流量分布不均勻。模擬結(jié)果與實際情況相符。

圖6 熱空氣速度矢量分布圖

圖7 冷空氣速度矢量分布圖

5 性能預(yù)測

5.1 換熱功率

空——空冷卻器換熱功率可通過式8或式9計算。

式中：cρh、cρc分別為熱空氣與冷空氣的平均比熱容，kJ/（m2·℃）；T1、T2分別為熱空氣進口與出口溫度，℃；t1、t2分別為冷空氣進口與出口溫度，℃；Vh、Vc分別為熱空氣與冷空氣的體積流量，m3/h；ρh、ρc分別為熱空氣與冷空氣的平均密度，kg/m3。

在1個標準大氣壓下，空氣溫度為50~75℃時，空氣平均比熱容為1.017kJ/（m2·℃），平均密度為1.014kg/m3，內(nèi)循環(huán)熱空氣體積流量為14000m3/h，熱空氣進口溫度為75℃，熱空氣出口溫度為53.98℃。將以上參數(shù)代入式（8）可得出空空冷卻器換熱功率為88.23kW，符合設(shè)計基本要求。

5.2 總傳熱系數(shù)

空——空冷卻器總傳熱系數(shù)可通過式10計算。

式中：K為總傳熱系數(shù)；Δt1為外循環(huán)冷空氣進出口溫度差，℃；Δt2為內(nèi)循環(huán)熱空氣進出口溫度差，℃；S為有效換熱面積，m2；P為冷空氣溫升與冷熱空氣最初溫度差的比值；R為熱空氣溫降與冷空氣溫升的比值；f（P，R）為冷熱空氣相互錯流溫差矯正系數(shù)。

空——空冷卻器每組兩個換熱機芯由88片鋁箔片構(gòu)成，有效換熱面面積為123.84m2；外循環(huán)冷空氣進出口溫升10.55℃；內(nèi)循環(huán)熱空氣溫降22.02℃；冷空氣溫升與冷熱空氣最初溫度差的比值為0.28；熱空氣溫降與冷空氣溫升的比值為2.08；冷熱空氣相互錯流溫差矯正系數(shù)為0.97。將以上參數(shù)代入式（10）可得出空——空冷卻器總傳熱系數(shù)為47。

6 結(jié)語

（1）以Solid works Flow Simulation為數(shù)值模擬計算平臺，利用計算流體動力學(xué)方法對某一空空冷卻器額定工況下的內(nèi)部流動與傳熱狀態(tài)進行了數(shù)值模擬，分別得出了內(nèi)外循環(huán)通道內(nèi)空氣介質(zhì)的壓力、速度、溫度等分布。通過對模擬結(jié)果進行分析，揭示了空空冷卻器內(nèi)部流動與傳熱規(guī)律，表明采用SolidworksFlowSimulation插件數(shù)值模擬空空冷卻器內(nèi)部流動與傳熱狀態(tài)實用、方便、快捷。

（2）在數(shù)值模擬空空冷卻器內(nèi)部流動和傳熱狀態(tài)的基礎(chǔ)上預(yù)測了空空冷卻器的換熱功率和總傳熱系數(shù)，與物理模型試驗結(jié)果比較接近。這就表明，基于三維雷諾時均的納維斯托克斯方程和標準湍流模型方程預(yù)測空空冷卻器流動與傳熱性能具有很高的計算精度，能夠為空空冷卻器結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，在實際工程中具有應(yīng)用價值。

［1］鮑里先科，丹科，亞科夫列夫.電機中的空氣動力學(xué)與熱傳遞［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1985.

［2］張海鳳，成函.電機徑向通風的空氣——空氣冷卻器傳熱計算［J］.能源研究與信息，2012，28（2），116-119.

［3］仇嘉，魏文建，張紹志，陳光明.基于CFD數(shù)值模擬的板式換熱器分配器性能研究［J］.機械工程學(xué)報，2010，46（14），130-137.

［4］李人憲.有限體積法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［5］王福軍．計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［6］周俊杰，徐國權(quán)，張華俊.Fluent工程基礎(chǔ)與實例分析（上冊）［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［7］Solidworks2012有限元、虛擬樣機與流場分析從入門到精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［8］蘭州石油機械研究所.換熱器（第二版）［M］.北京：中國石化出版社，2013.