翅片间距对单排管性能影响的数值研究

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1、第31卷第7期华电技术V01．31No．72009年7月HuadianTechnologyJu1．2009翅片间距对单排管性能影响的数值研究张薇，程远达，石磊。(1．华北水利水电学院环境与市政工程学院，河南郑州450011；2．机械工业第一设计研究院，北京100044；3．中国华电工程(集团)有限公司，北京100048)摘要：单排管是直接空冷凝汽器的一种基本换热元件，单排管外空气侧的流动和传热性能研究，对于直接空冷凝汽器的优化设计具有重要的意义。利用计算传热学软件FLUENT，对不同翅片间距下单排管空气侧进行三维数值模拟，并对速度场、温度场

2、进行分析和研究。可为直接空冷系统的优化设计提供参考。关键词：单排管；空冷凝汽器；数值模拟；优化设计中图分类号：TK264．11文献标志码：A文章编号：1674—1951(2009)07—0018—02在稳态、不可压缩、不计重力影响、常物性条件下，其1单排管简介流动和传热满足以下控制方程：单排管是直接空冷凝汽器的一种基本换热元(1)质量守恒(连续性)方程件，具有蒸汽侧流通面积大、阻力小、冬季防冻性能++：0f1)dxd’dz好、空气侧阻力小、传热系数高等优点¨。单排管是直接空冷换热元件的未来发展方向，单排管外形(2)动量守恒方程aualaMa

3、D如图1所示。单排管由基管和翅片组成，基管通过P“Yx+PYy+P一Oz一盖+导热的方式将管内水蒸汽的热量传递给铝翅片；同时，基管和翅片又通过对流的方式将热量传递给外肛肛(I+警+警1J，’(2)掠的空气。因此，单排管的传热是空气对流换热和v3vcgvD固体导热相互耦合的传热问题。由于管内为水蒸汽P“+P+P～O一+z凝结放热，单排管的传热性能主要取决于空气侧的对流换热系数。因此，对单排管空气侧流动和换热(++)，c3性能的研究具有重要意义。OwOwOwOpPu+P+P加～d一+z(+0_aw2w+)。(4)(3)能量守恒方程tototoI

4、t+12+W：aOx十d十dz：(I＼望—Ox。+—a‘+十一Oz‘1／I，(I5J)』式中：P为空气密度；t为空气温度；U，，W为空气在图1单排管外形图本文利用计算流体力学软件FLUENT对德国基，，z方向上的速度分量；P为空气静压力；IX为动力黏性系数；n为导温系数。伊埃(GEA)公司单排管流动和传热性能进行数值由于翅片管空冷凝汽器几何结构的周期性和对模拟、分析和研究，研究翅片间距对单排管的流动和称性，选取GEA公司翅片管的一部分进行研究，如换热的影响。图2所示。模拟中未考虑翅片上压制的细小波纹。2模型的建立J对汽轮机额定功率(TRL)

5、工况(排汽背压35kPa)下，单排管的性能进行模拟。夏季环境条件为：1个模拟中，未考虑蒸汽侧的热阻、翅片与基管之间标准大气压，空气入口温度为32℃。根据上述条的接触热阻以及实际运行过程中单排管的污垢热件，对2．2m／s迎面风速下，单排管问空气的流动和阻。经分析，空气在翅片管间的流动为层流流动。传热进行数值模拟。收稿日期：2009—01—06整个计算区域划分为进口段、中间段和出口段第7期张薇，等：翅片间距对单排管性能影响的数值研究·l9·3．2翅片间距对单排管性能的影响采用Colburn提出的传热因子与阻力因子／作为翅片换热和阻力综合性能的评

6、价基准]。传热因子和阻力因子定义如下Nu一，—ReP—r1／3，(6)f：2Apd．，(7)▲pumL』———+式中：Pr为普朗特数；卸为阻力损失；L为沿流动方向的翅片长度；u为流体在翅片流道截面处的速度；d为流道的当量直径；努谢尔特数Nu和雷诺数Re由式(8)和式(9)确定Ⅳ：，(8)图2单排管几何模型A3部分。为保证计算精度及节省计算机资源，采用Re：—／2rode—．(9)不均匀的六面体结构化网格。为了避免入口驻点和式中：A为流体的导热系数；为流体的运动黏度。出口回流的影响，分别延长了进、出口。空气入口为在2．2m／s迎面风速下，针对

7、不同翅片间距速度入口，出口为压力出口，两侧为对称性边界。假(1．8，2．3，2．8，3．3，3．8，4．3mm)，对单排管的换热定基管内的蒸汽为饱和水蒸汽，基管壁面为定壁温与流动进行模拟计算。图4为随翅片间距的变边界条件，顶部截面为绝热边界条件。翅片处于流化曲线。由图4可见，随着翅片间距s的增加，场中，翅片表面的温度分布由翅片导热及其与空气先增后减，在翅片间距为2．1mm附近出现最大值。对流换热耦合求解得到。压力和速度的耦合采用即2．2m／s迎面风速下，当单排管其他参数固定不SIMPLE算法。变时，翅片间距2．1mm时，翅片整体性能最优。o

8、．0863结果及分析0．0840．0823．1模拟结果0．080、0．078在2．2m／s迎面风速下，对称面的速度和温度0．076分布等值线图如图3中所示。空气从外部空间进入0．