王晗昀

(南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 南京 210008)

間接空冷系統(tǒng)利用散熱器實(shí)現(xiàn)循環(huán)水與空氣表面換熱，具有節(jié)水省電、換熱效率高、單位煤耗低等特點(diǎn)，在我國(guó)北方地區(qū)逐漸得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，間接空冷塔的運(yùn)行易受外界環(huán)境干擾，常出現(xiàn)夏季冷卻出力不足、冬季散熱器凍結(jié)等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。百葉窗作為運(yùn)行可調(diào)因子，研究其開(kāi)度對(duì)間接空冷散熱器的影響有利于對(duì)空冷塔的換熱狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)其開(kāi)度進(jìn)行調(diào)控，尤其是出現(xiàn)散熱器受凍危險(xiǎn)的情況。

Gu H F等[2]對(duì)1 000 MW機(jī)組的空冷塔采用百葉窗等4種措施進(jìn)行了大風(fēng)條件下提高自然通風(fēng)塔的散熱性能研究。Yan W M等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了空冷塔3種翅片管束換熱器的空氣流動(dòng)特性和傳熱規(guī)律，得到了對(duì)流傳熱系數(shù)、壓降與進(jìn)口風(fēng)速的關(guān)系。周二奇[4]在利用數(shù)值模擬對(duì)某660 MW機(jī)組四塔合一式空冷塔傳熱性能研究中，研究了百葉窗開(kāi)度等4個(gè)因素對(duì)四塔合一式空冷塔散熱性能的影響。盛波[5]在研究側(cè)風(fēng)對(duì)間接空冷塔性能影響的數(shù)值研究及防風(fēng)措施的探索中，研究了迎風(fēng)面百葉窗開(kāi)度調(diào)整等3種防風(fēng)措施。殷明等[6]建立了百葉窗三維CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模型，并結(jié)合近似模型給出百葉窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及CFD計(jì)算分析，得到空氣流經(jīng)百葉窗后的壓降。邢春禮等[7]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)濃縮器阻力損失的影響，結(jié)果表明，隨著百葉窗濃縮柵個(gè)數(shù)、間距及濃縮柵傾角的增加，百葉窗濃縮器的阻力損失減小。

綜上可見(jiàn)，對(duì)百葉窗以及其開(kāi)度對(duì)間接空冷散熱器的影響的研究分析較少，且主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要理論依據(jù)。因此，筆者將基于流場(chǎng)仿真軟件CFX對(duì)SCAL型間接空冷散熱器的橢圓翅片管進(jìn)行數(shù)值模擬，再結(jié)合4個(gè)不同百葉窗角度下的百葉窗風(fēng)口數(shù)值模擬結(jié)果，分別從橢圓翅片管的傳熱規(guī)律和流動(dòng)特性兩個(gè)方面進(jìn)行深入分析，探究百葉窗開(kāi)度對(duì)間接空冷散熱器的影響。

1 間接空冷散熱器翅片管計(jì)算模型

1.1 物理模型

以SCAL型間接空冷機(jī)組冷卻三角的散熱器管束為研究對(duì)象，每組管束包含多根串并聯(lián)翅片管，每根管由基管和翅片組成，采用雙排管雙流程的布置方式(見(jiàn)圖1)?；転殇撝茩E圓管，翅片為鋼翅片嵌套在橢圓基管上，橢圓基管及翅片外表面進(jìn)行整體熱鍍鋅處理。翅片管道內(nèi)為熱介質(zhì)水，管外為冷介質(zhì)空氣，管內(nèi)循環(huán)冷卻水流經(jīng)橢圓單管與外界冷空氣進(jìn)行熱量交換[8-10]。

圖1 散熱器翅片管模型

圖2為該翅片管束俯視結(jié)構(gòu)示意圖，表1為翅片管具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于沿管長(zhǎng)方向具有重復(fù)性的翅片結(jié)構(gòu)和相等的翅片間距，數(shù)值模擬建模時(shí)只考慮一個(gè)翅片。在橫向管間距方向，考慮翅片管的對(duì)稱性，通常取半個(gè)翅片(見(jiàn)圖2中虛線部分)。物理模型將整個(gè)計(jì)算域劃分為入口段、中間翅片管段(簡(jiǎn)稱中間段)和出口段3部分。

圖2 橢圓管翅片結(jié)構(gòu)俯視圖

項(xiàng)目數(shù)值基管尺寸(a×b×δ)1)/(mm×mm×mm)36×14×1.5翅片尺寸(L×W×m)2)/(mm×mm×mm)55×26×0.3翅片間距/mm2.5橫向間距S1/mm27縱向間距S2/mm61管排數(shù)2注:1)δ為基管壁厚;2)m為翅片厚度

圖3為翅片管束的計(jì)算物理模型。為了保證物理模型的可靠性及計(jì)算的穩(wěn)定性，建模時(shí)考慮了空氣入口區(qū)域和出口區(qū)域兩個(gè)延伸的區(qū)域：將進(jìn)口區(qū)延長(zhǎng)至2倍管徑的長(zhǎng)度，目的是為了使空氣來(lái)流分布均勻，減小氣流不均勻性的影響，避免入口處的入口效應(yīng)；出口延長(zhǎng)至7倍管徑的長(zhǎng)度，該區(qū)域的設(shè)定是為了減小空氣回流對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果精度和準(zhǔn)確性的影響[11]。

圖3 翅片管計(jì)算域

1.2 網(wǎng)格劃分

使用前處理軟件ICEM CFD 14.5進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別對(duì)空氣流體域與翅片管實(shí)體域劃分網(wǎng)格。計(jì)算域的入口段、中間段和出口段分別生成網(wǎng)格，在管壁面及翅片表面附近網(wǎng)格較為密集；遠(yuǎn)離壁面及翅片面的流體區(qū)域則采用較為稀疏的網(wǎng)格，達(dá)到節(jié)省計(jì)算時(shí)間、保證計(jì)算精度的目的。翅片管實(shí)體域網(wǎng)格特征見(jiàn)圖4，在翅片管壁處對(duì)網(wǎng)格適當(dāng)加密，并通過(guò)ICEM檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)對(duì)翅片段網(wǎng)格不斷加密，檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，確保計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格質(zhì)量和疏密程度的影響。最終翅片管束模型采用的空氣流體域網(wǎng)格數(shù)為1 370 436，翅片管實(shí)體域網(wǎng)格數(shù)為479 214。

圖4 橢圓翅片管網(wǎng)格圖

1.3 基本假設(shè)及數(shù)學(xué)模型

計(jì)算域的入口段、中間段和出口段分別生成網(wǎng)格，在管壁面及翅片表面為方便建模及計(jì)算，對(duì)翅片管換熱元件作如下基本假設(shè)：

(1) 忽略輻射換熱、管內(nèi)外表面污垢熱阻及基管和翅片間的接觸熱阻。

(2) 管內(nèi)熱水流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，管壁設(shè)為定壁溫。

(3) 計(jì)算域內(nèi)空氣的流動(dòng)換熱為穩(wěn)態(tài)，且流體在固體壁面無(wú)滑移。

(4) 不考慮空氣密度變化對(duì)流動(dòng)換熱的影響，翅片的導(dǎo)熱系數(shù)為常量，即不考慮物性參數(shù)對(duì)流動(dòng)換熱的影響。

采用Simple[12]算法求解N-S方程，由于翅片管束結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空氣流經(jīng)翅片管束為紊流流動(dòng)形式，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述[13]，橢圓翅片管和空氣間的耦合換熱必須滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和控制方程。

1.4 邊界條件和其他輸入條件

1.4.1 空氣流體域

定義材料為25 ℃的空氣，忽略溫度變化導(dǎo)致空氣導(dǎo)熱系數(shù)的差異。入口設(shè)為速度入口，空氣速度變化在1～8 m/s，等距均勻插入8組工況。環(huán)境溫度變化在-30～16 ℃，取-30 ℃、-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、4 ℃、8 ℃、12 ℃、16 ℃共11組工況。出口設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

1.4.2 翅片管實(shí)體域

定義材料為鋼，管壁溫度設(shè)為37.7 ℃；考慮沿翅片厚度方向的導(dǎo)熱。

1.4.3 流固耦合面

建立空氣流體域和橢圓翅片管實(shí)體域的流固耦合面。設(shè)置空氣域耦合面為無(wú)滑移非光滑的壁面邊界條件。熱流密度q、溫度T應(yīng)保持守恒，即滿足下列守恒方程：

(1)

式中：qf、qs為空氣流體域和翅片管實(shí)體域的熱流密度，J/(m2·s)；Tf、Ts為空氣流體域和翅片管實(shí)體域耦合處的溫度， ℃。

1.4.4 周期性邊界條件和對(duì)稱邊界條件

沿管長(zhǎng)方向的兩個(gè)面以及橢圓翅片管縱向截面方向都設(shè)為周期性邊界條件(見(jiàn)圖3)。

1.5 求解設(shè)置

CFX求解器中，Advection Scheme選擇為High Resolution模式，Turbulence Numerics選為一階。當(dāng)計(jì)算殘差達(dá)到1.0×10-5，且流場(chǎng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)變化小于3%時(shí)，認(rèn)定計(jì)算收斂。

1.6 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)文獻(xiàn)[14]中類似問(wèn)題的四排Forgo型管束進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。計(jì)算結(jié)果表明：空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的平均誤差為2.61%，在可接受范圍內(nèi)。因此，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)出的傳熱系數(shù)較為吻合，說(shuō)明計(jì)算采用的湍流模型可靠。

圖5 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

2 百葉窗模型

2.1 計(jì)算域

空氣進(jìn)入百葉窗后，速度方向發(fā)生改變。在百葉窗風(fēng)口中，對(duì)通風(fēng)量產(chǎn)生影響的決定性因素為百葉窗角度，因此筆者研究百葉窗角度為30°、45°、60°、75°的情況。百葉窗的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。由于百葉窗在垂直于地面的方向(z軸)重復(fù)性的葉片結(jié)構(gòu)且等葉片間距，因此幾何建模只需考慮一個(gè)葉片，物理模型將整個(gè)計(jì)算域劃分為入口段、中間百葉窗葉片和出口段3部分，由于百葉窗葉片的厚度為2 mm，相對(duì)空冷塔冷卻三角的百葉窗整體高度13 m幾乎可以忽略不計(jì)，因此不考慮葉片厚度，視為一個(gè)無(wú)限薄面。不同的百葉窗角度θ對(duì)應(yīng)著不同的百葉窗開(kāi)度k，θ為0°對(duì)應(yīng)百葉窗全開(kāi)，θ為90°對(duì)應(yīng)全關(guān)，兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

(2)

圖6 百葉窗結(jié)構(gòu)

2.2 邊界條件和其他輸入條件

(1) 入口條件設(shè)為速度入口，空氣速度變化在1～8 m/s，等距均勻插入8組工況。

(2) 出口條件設(shè)為壓力出口，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

(3) 沿垂直地面方向(z軸)的兩個(gè)面設(shè)為周期性邊界條件(見(jiàn)圖3)。

(4) 壁面溫度設(shè)為37.7 ℃，環(huán)境溫度取-30～16 ℃，共10組來(lái)研究環(huán)境溫度的影響。

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程

首先在ICEM中對(duì)物理模型劃分網(wǎng)格，并檢測(cè)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，然后利用基于有限容積法的商用軟件CFX對(duì)該模型進(jìn)行求解，當(dāng)計(jì)算殘差達(dá)到1.0×10-5，且流場(chǎng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)變化小于3%時(shí)，認(rèn)定計(jì)算收斂。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 流動(dòng)阻力系數(shù)的計(jì)算

空氣流經(jīng)百葉窗的壓降通過(guò)CFX數(shù)值模擬得到：

Δp=pin-pout

(3)

式中：pin為空氣入口靜壓，Pa；pout為出口靜壓，Pa，邊界條件設(shè)該值為0。

進(jìn)而可以得到百葉窗風(fēng)口的阻力系數(shù)：

(4)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；va為進(jìn)口風(fēng)速，m/s。由于此處為理論分析，因此不需考慮在工程應(yīng)用時(shí)阻力系數(shù)的修正[15]。

部分工況的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 部分工況計(jì)算結(jié)果

2.4.2 阻力系數(shù)的影響因素

圖7為阻力系數(shù)隨進(jìn)口風(fēng)速的變化情況，可以看出：隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，ξ不斷增大且逐漸趨于平坦，空氣的湍流流動(dòng)逐漸到達(dá)平方阻力區(qū)，此時(shí)ξ不再隨進(jìn)口風(fēng)速的變化而變化。

圖7 進(jìn)口風(fēng)速對(duì)百葉窗風(fēng)口阻力系數(shù)的影響

圖8為進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時(shí)，不同百葉窗開(kāi)度對(duì)百葉窗風(fēng)口阻力系數(shù)的影響。

圖8 百葉窗角度對(duì)百葉窗阻力系數(shù)的影響

圖9為進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時(shí)，不同百葉窗開(kāi)度下空氣經(jīng)過(guò)百葉窗葉片的流動(dòng)特性對(duì)比圖。

分析圖8、圖9得出：百葉窗的開(kāi)度越小則阻力損失越小。阻擋來(lái)流的葉片后面存在漩渦，漩渦區(qū)是負(fù)壓和低速區(qū)，百葉窗葉片開(kāi)度越大，其后面形成的漩渦區(qū)域越大，導(dǎo)致葉片前后的壓差較大，帶來(lái)較大的百葉窗風(fēng)口阻力損失。當(dāng)百葉窗開(kāi)度為0°時(shí)即全開(kāi)時(shí)幾乎不產(chǎn)生阻擋作用，因此阻力系數(shù)為0。

3 百葉窗開(kāi)度對(duì)空冷散熱器的影響

3.1 速度入口條件的轉(zhuǎn)換計(jì)算

圖10為冷卻三角頂視圖，2片管束夾角約48°，垂直布置在支撐框架內(nèi)部，2片管束的缺口處安裝百葉窗。

圖10 冷卻三角頂視圖

通過(guò)第2節(jié)對(duì)百葉窗的數(shù)值模擬，可以得到空氣流經(jīng)百葉風(fēng)口后的速度u和w，則進(jìn)入間接空冷散熱器翅片管模型的入口條件計(jì)算公式為：

(5)

式中：u′、v′、w′分別為進(jìn)入散熱器翅片管x、y、z三個(gè)方向的分速度。

3.2 計(jì)算結(jié)果

表3給出了部分工況計(jì)算結(jié)果[17]，其中，ho為空氣與翅片管束的整體傳熱系數(shù)，h1為經(jīng)過(guò)第一排管道的傳熱系數(shù)，h2為第二排管束的傳熱系數(shù)。為區(qū)分空氣通過(guò)百葉窗風(fēng)口和翅片管的壓降，分別用Δp1和Δp2來(lái)表示。

表3 部分工況計(jì)算結(jié)果

3.3 模擬結(jié)果及分析

3.3.1 流動(dòng)特性分析

圖11為環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，不同的百葉窗角度、進(jìn)口風(fēng)速對(duì)總壓降的影響。從圖11可以看出：不同百葉窗角度下，空氣流動(dòng)的總壓降均隨進(jìn)口風(fēng)速的增大而增大，同時(shí)，百葉窗的開(kāi)度越大，空氣流經(jīng)百葉窗后再與翅片管進(jìn)行換熱整個(gè)過(guò)程所造成的阻力損失越大。由第2.4節(jié)分析可知，這一阻力損失主要是百葉風(fēng)口起到類似于擋板的作用。

圖11 不同百葉窗角度下進(jìn)口風(fēng)速對(duì)總壓降的影響

圖12為環(huán)境溫度為0 ℃、百葉窗角度為45°、進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時(shí)，空氣流動(dòng)截面(取軸向上表面周期性邊界條件截面：z=0.002 5 m)的壓力分布情況。

圖12 空氣流動(dòng)截面壓力分布云圖

由圖12可見(jiàn)：空氣經(jīng)過(guò)翅片的壓差明顯降低，圖中標(biāo)出位置為第一排管壓力的極小值pmin，可以看出壓力分布的等壓線不再關(guān)于橢圓長(zhǎng)軸軸對(duì)稱分布，這是由于百葉窗的節(jié)流作用以及百葉窗與散熱器之間存在夾角。

3.3.2 傳熱規(guī)律分析

圖13為環(huán)境溫度為0 ℃，百葉窗角度為30°、45°、60°、75°時(shí)，空氣進(jìn)入百葉窗與經(jīng)過(guò)橢圓管散熱器前后總壓差與翅片管平均對(duì)流傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。

圖13 進(jìn)出口壓差對(duì)傳熱系數(shù)的影響

分析圖13可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 空氣流經(jīng)進(jìn)出口的壓差越大，與橢圓翅片管的傳熱系數(shù)就越大，且當(dāng)壓差增大到一定程度時(shí)，橢圓翅片管的傳熱系數(shù)增加趨于平緩。

(2) 隨著百葉窗角度的逐漸增大，即開(kāi)度逐漸減小，在一定的進(jìn)出口壓差下，百葉窗的開(kāi)度越小，dh/dθ變化越大。所以，在冬季百葉窗開(kāi)度已經(jīng)很小時(shí)，對(duì)百葉窗進(jìn)行調(diào)整時(shí)需要慎重，因?yàn)榇藭r(shí)即使很小的開(kāi)度變化也會(huì)引起橢圓翅片管束的傳熱系數(shù)很大的波動(dòng)。因此，在冬季百葉窗本身已經(jīng)關(guān)得很小的情況下，對(duì)它的調(diào)節(jié)控制也就提出了更高的要求。

圖14為環(huán)境溫度為12 ℃、百葉窗角度為45°、進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時(shí)，空氣流動(dòng)截面(取軸向上表面周期性邊界條件截面：z=0.002 5 m)的溫度分布。圖14中左側(cè)為第一排翅片，右側(cè)為第二排翅片。從圖14中看出：空氣經(jīng)過(guò)百葉窗的導(dǎo)向與節(jié)流作用在于翅片管發(fā)生換熱，進(jìn)口處的速度方向發(fā)生了改變，在橢圓管束后形成的尾渦大小與形狀也發(fā)生了一定的改變，因此對(duì)管束的傳熱系數(shù)造成較大的影響。

圖14 空氣流動(dòng)截面溫度分布云圖

圖15為環(huán)境溫度為0 ℃、百葉窗角度為45°、進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時(shí)，流固耦合面(取橢圓翅片管翅片上截面：z=0.000 15 m)的溫度分布等溫線云圖，同樣等溫線最密集處出現(xiàn)了一定的偏移，原因同樣是百葉窗的導(dǎo)流與百葉窗與散熱器之間存在夾角的協(xié)同作用。

圖15 流固耦合面溫度分布云圖

4 結(jié)語(yǔ)

筆者利用CFX軟件對(duì)間接空冷翅片管和百葉窗風(fēng)口進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同百葉窗角度下空氣的流動(dòng)特性，為下一步研究做好準(zhǔn)備。研究百葉窗開(kāi)度對(duì)翅片管換熱的影響，即將空氣經(jīng)過(guò)百葉窗模型后的出口條件作為橢圓翅片管模型的入口條件，從而將兩者結(jié)合起來(lái)分析。具體結(jié)論如下：

(1) 百葉窗的開(kāi)度越大，空氣流經(jīng)百葉窗后再與翅片管進(jìn)行換熱整個(gè)過(guò)程所造成的阻力損失越大。

(2) 由于百葉窗的導(dǎo)流作用以及百葉窗與散熱器之間夾角的存在,空氣經(jīng)過(guò)翅片的壓差明顯降低，且壓力分布的等壓線不關(guān)于橢圓長(zhǎng)軸軸對(duì)稱分布。

(3) 隨著百葉窗角度的逐漸增大，即開(kāi)度逐漸減小，在一定的進(jìn)出口壓差下，百葉窗的開(kāi)度越小，dh/dθ變化越大。冬季百葉窗開(kāi)度已經(jīng)很小時(shí)，對(duì)百葉窗進(jìn)行調(diào)整時(shí)需要慎重。

(4) 由于百葉窗的導(dǎo)流作用及其與散熱器之間夾角的協(xié)同作用，使得翅片管空氣流動(dòng)截面的溫度分布以及流固耦合面溫度分布出現(xiàn)了一定的位置偏移。