擾流孔及翅片間距對(duì)直接空冷蛇形翅片管流動(dòng)與換熱的影響

賀曉怡，陰繼翔，王 濤，馬素霞

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擾流孔及翅片間距對(duì)直接空冷蛇形翅片管流動(dòng)與換熱的影響

賀曉怡，陰繼翔，王 濤，馬素霞

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024）

在傳統(tǒng)直接空冷單排蛇形翅片扁平管上增設(shè)擾流孔以強(qiáng)化換熱。本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì) 有、無(wú)擾流孔的2種蛇形翅片扁平管（蛇形翅片管）模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了1.4、2.2、3.0、3.8 m/s 4種迎面風(fēng)速下不同翅片間距對(duì)有、無(wú)擾流孔的2種型式翅片管換熱、阻力以及綜合性能的影響。結(jié)果表明：與未開(kāi)孔的蛇形翅片管相比，增設(shè)擾流孔的蛇形翅片管在各種翅片間距、迎面風(fēng)速下使空氣側(cè)的換熱系數(shù)提高1%～18%，且流動(dòng)阻力略微減??；在較小的迎面風(fēng)速范圍內(nèi)，增設(shè)擾流孔可以使相同工況下的最佳翅片間距減小。

直接空冷；蛇形翅片管；擾流孔；翅片間距；換熱系數(shù)；流動(dòng)阻力；數(shù)值模擬

直接空冷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)富煤缺水地區(qū)的火力發(fā)電機(jī)組中[1-3]，其核心部件是翅片管束結(jié)構(gòu)的空冷凝汽器。20世紀(jì)70年代至今，直接空冷凝汽器所采用的翅片管經(jīng)歷了4排等管徑連續(xù)翅片結(jié)構(gòu)、雙排橢圓管矩形翅片結(jié)構(gòu)、3排橢圓管橢圓形翅片結(jié)構(gòu)及單排扁管蛇形翅片結(jié)構(gòu)4個(gè)階段[4]。其中，單排蛇形翅片扁平管因其具有換熱面積大、流動(dòng)阻力小、防凍性能好、傳熱系數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為直接空冷換熱元件的主要結(jié)構(gòu)形式[5-6]。

針對(duì)直接空冷單排蛇形翅片扁平管空氣側(cè)的換熱與流動(dòng)性能，已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7-8]分別通過(guò)數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的方法研究了迎面風(fēng)速對(duì)蛇形翅片扁平管（蛇形翅片管）換熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明氣側(cè)換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的增大而逐漸增大。申微波[9]研究了蛇形翅片的厚度對(duì)翅片管換熱系數(shù)與流動(dòng)阻力的影響，發(fā)現(xiàn)不同迎面風(fēng)速下翅片管的對(duì)流換熱系數(shù)與流動(dòng)阻力均隨翅片厚度的增加而增大。馬榮榮[10]研究發(fā)現(xiàn)，蛇形翅片管的換熱系數(shù)與流動(dòng)阻力隨著翅片間距的的增大而減小。侯雪梅[11]模擬研究了蛇形翅片管擾流孔距對(duì)換熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，換熱系數(shù)隨擾流孔間距的減小而增大，但在超過(guò)一定界限后，換熱系數(shù)無(wú)明顯提高。文獻(xiàn)[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，在矩形翅片上加設(shè)擾流孔后翅片管的換熱性能得到提高。

綜上，開(kāi)孔翅片可以提高翅片管的換熱性能，但針對(duì)直接空冷蛇形翅片管的研究主要集中在迎面風(fēng)速與蛇形翅片尺寸上，對(duì)于蛇形翅片上增設(shè)擾流孔強(qiáng)化換熱的文獻(xiàn)較少。本文建立了相同結(jié)構(gòu)尺寸下有、無(wú)擾流孔的2種翅片管數(shù)值模型，通過(guò)應(yīng)用Fluent軟件研究了1.55、1.85、2.15、2.45、2.75、3.05、3.35 mm 7個(gè)翅片間距的蛇形翅片管在4種迎面風(fēng)速下的換熱、流動(dòng)阻力以及綜合性能，相關(guān)結(jié)論可為蛇形翅片管的研究及選擇提供參考依據(jù)。

1 幾何模型及區(qū)域網(wǎng)格化

圖1為實(shí)際工程中采用的蛇形翅片管。為便于建模，將蛇形翅片簡(jiǎn)化為矩形翅片。由于蛇形翅片的幾何形狀與流動(dòng)換熱皆具有對(duì)稱性，選擇翅片單元（一個(gè)“Z”形的翅片與翅片兩側(cè)的各一半流動(dòng)空間）為研究對(duì)象，計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

為防止入口效應(yīng)和出口回流的影響，分別在進(jìn)、出口區(qū)域設(shè)置長(zhǎng)度為50 mm和400 mm的延長(zhǎng)區(qū)。扁平管采用鋼管，管外釬焊鋁合金蛇形翅片。扁平管長(zhǎng)軸為=219 mm，短軸為=19 mm，壁厚為=1.5 mm；翅片的長(zhǎng)度為=200 mm，高度為=19 mm，厚度為=0.3 mm，間距為；位于翅高中心處的擾流孔個(gè)數(shù)為=15，孔徑為=3 mm。

使用Gambit軟件生成計(jì)算域網(wǎng)格。為了便于劃分網(wǎng)格并獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了分塊處理。進(jìn)口區(qū)域與出口區(qū)域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。翅片換熱區(qū)域速度變化劇烈，采用給壁面附近和開(kāi)孔處及其周圍加密的方法。開(kāi)孔處使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用結(jié)構(gòu)化、非均勻的六面體網(wǎng)格。翅片的局部區(qū)域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 控制方程與邊界條件

本文的模擬計(jì)算基于以下假設(shè)：1）流體為不可壓縮的常物性空氣；2）不考慮翅片與基管間的接觸熱阻；3）不考慮翅片管的自然對(duì)流與輻射換熱；4）扁平管內(nèi)壁面溫度恒定；5）流體在管外翅片間的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)。

控制方程[14]如下：

動(dòng)量方程：

式中：u為流體在X方向上的速度；、=1,2,3，分別代表、、方向；為流體密度；為流體微元上的靜壓力。

流體進(jìn)口面為速度進(jìn)口，界面上速度及溫度均勻。出口為壓力邊界條件，無(wú)回流發(fā)生。扁平管內(nèi)壁面設(shè)為等溫壁面，外壁面與翅片表面均為耦合面，其他表面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。

選擇適用于求解不可壓縮流體流動(dòng)計(jì)算的壓力求解器。其中，速度與壓力耦合采用Simple算法，對(duì)流項(xiàng)的離散采用Power Law格式。

3 模型驗(yàn)證

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值模擬作為一種近似求解方法，其網(wǎng)格數(shù)目直接影響計(jì)算結(jié)果精度。為了選取合適的網(wǎng)格 數(shù)目，須先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。以翅片間距 2.75 mm、迎面風(fēng)速2.2 m/s工況下的開(kāi)孔蛇形翅片管為例，采用6種網(wǎng)格數(shù)目對(duì)開(kāi)孔蛇形翅片管的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，網(wǎng)格數(shù)為1 186 752與1 325 454時(shí)換熱系數(shù)的相對(duì)誤差為0.1%，這表明選取網(wǎng)格數(shù)約為118萬(wàn)的模型進(jìn)行后續(xù)模擬計(jì)算較為合理。

3.2 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文算法及模型的合理性與有效性，使用文獻(xiàn)[14]中扁平管蛇形翅片模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到傳熱系數(shù)與流動(dòng)阻力的變化關(guān)系。圖5為本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的比較。由圖5可知，模擬值與文獻(xiàn)[14]數(shù)據(jù)相比誤差較小，傳熱系數(shù)與流動(dòng)阻力的最大誤差為2.94%和7.80%。該誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文算法及模型的正確性。

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文數(shù)據(jù)處理的相關(guān)參數(shù)定義[15]如下：

式中，m為空氣定性溫度，in、out分別為計(jì)算域進(jìn)、出口空氣溫度，Δ、e、、m、分別為進(jìn)出口壓差、翅片管當(dāng)量直徑、空氣密度、翅片管最小截面處流速、翅片沿空氣流動(dòng)方向的長(zhǎng)度（取0.2 m），、、分別為努塞爾數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。

4.1 速度場(chǎng)

圖6為迎面風(fēng)速=1.4 m/s時(shí)有、無(wú)擾流孔的翅片管翅片間距中心截面的速度分布?？諝庥勺蠖诉M(jìn)入，流動(dòng)至扁管時(shí)流速逐漸增大。當(dāng)空氣流經(jīng)翅片通道時(shí)其流速達(dá)到最大值。翅片間空氣的平均流速為進(jìn)口迎面風(fēng)速的1.6~1.8倍。隨著翅片間距的增加，流速提高的倍數(shù)越小。對(duì)比圖6b)、d)可見(jiàn)，在翅片間距較大時(shí)翅片間空氣流速更小。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于，與進(jìn)口處相比，翅片區(qū)域的流動(dòng)截面積減小。隨著翅片間距的增大，翅片厚度不變，翅片厚度截面在整個(gè)計(jì)算域截面上所占比例逐漸變小，而流通截面面積所占比例越來(lái)越大，速度提高的比例也因此越來(lái)越小。

從圖6中還可以看出：空氣在進(jìn)入翅片通道前，有、無(wú)擾流孔2種翅片通道內(nèi)的流動(dòng)狀況基本相同；當(dāng)空氣流經(jīng)翅片開(kāi)孔處，流動(dòng)空間瞬間增大，流速明顯減小，空氣在流動(dòng)過(guò)程中受到擾動(dòng)，且阻礙了邊界層的持續(xù)發(fā)展，不過(guò)擾流孔對(duì)邊界層的影響僅局限于翅片高度方向上的中心部分；在擾流孔翅片間的流動(dòng)中，翅片根部與頂部的空氣流速未受到影響；在同一迎面風(fēng)速下，翅片間距增大，擾流孔對(duì)翅片間空氣流動(dòng)的影響減弱；在翅片間距為3.35 mm的流道中剖面的速度分布基本沒(méi)有受到孔的擾動(dòng)，因此，隨著翅片間距的增加，擾動(dòng)減小，換熱強(qiáng)化效果減弱。

圖7為翅片間距=1.55、2.45 mm時(shí)有、無(wú)擾流孔翅片管在翅片高度9.5 mm處橫截面的速度場(chǎng)。由圖7可見(jiàn)：邊界層變化明顯，平直蛇形翅片管的流道內(nèi)速度分布相同、流動(dòng)均勻；由于擾流孔的存在，翅片截面被間斷，在間斷處，空氣流動(dòng)明顯受到擾流孔的影響，邊界層經(jīng)歷了不斷地?cái)嗔押托纬?，從而增?qiáng)了換熱。

圖7 不同翅片間距時(shí)翅片高度9.5 mm處橫截面速度分布

Fig.7 The velocity distribution in cross section with fin height of 9.5 mm under conditions with different fin pitches

4.2 換熱性能

不同迎面風(fēng)速下?lián)Q熱系數(shù)隨翅片間距的變化關(guān)系如圖8所示。

Fig.8 Changes of the heat transfer coefficient with fin pitch

由圖8可見(jiàn)：在不同迎面風(fēng)速下，翅片管換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)一致；翅片管的換熱系數(shù)隨著翅片間距的增加、迎面風(fēng)速的減小而減??；在所計(jì)算的迎面風(fēng)速與翅片間距下，帶擾流孔的翅片管的換熱系數(shù)均大于無(wú)擾流孔的翅片管，換熱系數(shù)提升1%~18%；擾流孔對(duì)換熱系數(shù)的提高程度與翅片間距、迎面風(fēng)速有關(guān)，在較小的迎面風(fēng)速與翅片間距范圍內(nèi)，增設(shè)擾流孔對(duì)換熱系數(shù)的提高更為顯著。

4.3 流動(dòng)阻力

4種迎面風(fēng)速下有、無(wú)擾流孔2種類型翅片管的阻力系數(shù)隨翅片間距的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，有、無(wú)擾流孔2種翅片管的阻力系數(shù)隨著迎面風(fēng)速與翅片間距的增大而減小，減小的趨勢(shì)逐漸變緩。對(duì)比各工況下2種翅片管的流動(dòng)性能發(fā)現(xiàn)，擾流孔對(duì)阻力系數(shù)的影響隨著翅片間距的增大逐漸減小，直至影響基本消失。

4.4 綜合性能

換熱能力的提高通常是以阻力損失的增大為代價(jià)，為此需要對(duì)換熱技術(shù)進(jìn)行綜合性能評(píng)估。本文以/[9]作為綜合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察翅片管的綜合性能。該值越大，在相同泵功下完成同樣的換熱量所需的迎風(fēng)面積越小。圖10為有、無(wú)擾流孔翅片管在不同迎面風(fēng)速下/隨翅片間距的變化。由圖10可見(jiàn)：除小迎面風(fēng)速（=1.4 m/s）外，其他迎面風(fēng)速下隨著翅片間距的增大，/呈先增大后減小趨勢(shì)，且翅片間距較小時(shí)更為明顯；迎面風(fēng)速越大，/變化趨勢(shì)變緩，最佳翅片間距隨著迎面風(fēng)速的增加而減小。對(duì)于2種蛇形翅片管，不同迎面風(fēng)速下的最佳綜合換熱結(jié)構(gòu)也不盡相同。按迎面風(fēng)速由小至大排序，無(wú)孔翅片管的最佳翅片間距依次為3.35、3.05、2.75、2.45 mm，開(kāi)孔翅片管的最佳翅片間距依次為3.05、2.75、2.75、2.45 mm。這表明，在迎面風(fēng)速較小時(shí)增設(shè)擾流孔可以減小翅片間距，從而使得翅片換熱結(jié)構(gòu)更為緊湊。

5 結(jié) 論

1）翅片間空氣流速為進(jìn)口迎面風(fēng)速的1.6~ 1.8倍。翅片間距越小，翅片區(qū)域的風(fēng)速提高的倍數(shù)越大，這是導(dǎo)致翅片間距較小時(shí)取得較高換熱系數(shù)的原因之一。

2）增設(shè)擾流孔后翅片管的換熱系數(shù)提高了1%~18%，且提高的程度隨著翅片間距與迎面風(fēng)速的增大而逐漸減弱；擾流孔對(duì)翅片管阻力性能的影響甚微?？梢?jiàn)，對(duì)于較小的迎面風(fēng)速和翅片間距，可以在不增加能耗的條件下改善翅片管換熱性能。

3）隨著翅片間距的增加，4種翅片管的綜合性能系數(shù)先增大后減?。?.4 m/s除外）。當(dāng)迎面風(fēng)速較小時(shí)，增設(shè)擾流孔使得最佳翅片間距減小，單位容積內(nèi)可以布置較多翅片使得換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊。

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Influence of interrupted holes and fin pitch on flow and heat transfer of wavy-finned tubes in direct air-cooled condensers

HE Xiaoyi, YIN Jixiang, WANG Tao, MA Suxia

(School of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Interrupted holes are added to the conventional wave-fins of direct air-cooled single-row tube to enhance heat transfer. The three-dimensional numerical simulation on two kinds of finned tube models with and without interrupted holes was performed by Fluent software. The effects of fin pitch on the heat transfer, flow resistance and overall performance of the two finned tubes at four facing velocities (1.4 m/s, 2.2 m/s, 3.0 m/s, 3.8 m/s) were studied. The results show that, compared with the wavy-finned tubes with no holes, the wavy-finned tubes with interrupted holes increase the air-side heat transfer coefficient by 1%~18% at various fin pitches and facing velocities, and the flow resistance slightly reduces. In the smaller facing velocity range, adding interrupted holes can reduce the optimal fin pitch under the same working conditions.

direct air cooling, wavy-finned tube, interrupted hole, fin pitch, heat transfer coefficient, flow resistance, numerical simulation

Science and Technology Major Special Project of Shanxi Province (MD2016-02); National Natural Science Foundation of China(51476108)

賀曉怡(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷?duì)流換熱強(qiáng)化技術(shù)，1522066082@qq.com。

K26

A

10.19666/j.rlfd.201805152

賀曉怡, 陰繼翔, 王濤, 等. 擾流孔及翅片間距對(duì)直接空冷蛇形翅片管流動(dòng)與換熱的影響[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(2): 72-77. HE Xiaoyi, YIN Jixiang, WANG Tao, et al. Influence of interrupted holes and fin pitch on flow and heat transfer of wavy-finned tubes in direct air-cooled condensers[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 72-77.

2018-05-13

山西省科技重大專項(xiàng)(MD2016-02)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51476108)

陰繼翔(1964—)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，yinjixiang@tyut.edu.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）