空冷凝汽器翅片管流态化清洗的数值模拟.pdf

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1、510化工机械2014年空冷凝汽器翅片管流态化清洗的数值模拟王升龙+陈东伟王建江徐志明杨善让(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要对空冷凝汽器翅片管进行了液固两相流流态化除垢清洗的数值模拟。研究了流体流速、固相粒径、固相体积分数对清洗效果的影响。结果表明：流体的湍流强度壁面的剪切应力均随流速、固相粒径、固相体积分数的增加而增大；考虑节水节能和清洗效果，蛇形翅片管最佳入口流速为14m／s，固相粒径为0．3mm，体积分数为8％。关键词空冷凝汽器翅片管流态化清洗数值模拟中图分类号TQ051．6+1文献标

2、识码A文章编号0254-6094(2014)04m510-04空冷机组直接空冷凝汽器运行的安全性和经济性取决于翅片管的换热状况⋯。空冷岛为管束结构，管子数量多、管间距小且翅片结构复杂、翅片间距小。在空冷岛运行过程中，冷空气不断从翅片间通过，夹带柳絮、泥沙等杂质，使翅片管容易积灰或堵塞，致使空气流动阻力增加，传热恶化，换热效果急剧变差，严重影响机组安全和经济运行。因此，对翅片管进行清洗、优化空气流场，对改善凝汽器换热效果具有重要意义。为了提高空冷散热器的换热效果，文献[2～5]已从翅片管污垢的清洗方

3、面进行论述；文献[6]针对污垢的影响因素指出流速对污垢剥离过程的影响主要表现在壁面剪切应力和污垢层本身的强度上；笔者考虑湍流强度、壁面剪切应力对污垢清洗的影响，应用Fluent软件，采用欧拉多相流模型，对翅片管内的液固两相流的湍流特性、污垢的清洗强度及清洗效果等进行了数值模拟。分析了计算域入口流体流速、固相颗粒的体积分数、粒径对湍流强度、壁面剪切应力的影响，探讨了满足清洗效果的条件下，合理的流速，固相体积分数和粒径的选择。1数值模拟1．1几何模型笔者采用蛇形翅片管单排管作为清洗对象，该单排管为扁管

4、芯纤焊硅铝合金蛇形翅片，呈“几”字形排列(图1)，结构尺寸参数如下：翅片长度L200mm翅片高度h19mm翅片厚度t0．35mm翅片间距P2．8mm扁管长度Ⅱ220mm}王升龙，男，1971年11月生，副教授。吉林省吉林市，132012。a．翅片示意图b．扁管示意图图1蛇形翅片管示意图0第41卷第4期化工机械511扁管厚度b1．5ram扁管半径r10ram为便于数值模拟，将蛇形翅片简化为矩形翅片。考虑管束的对称性，数值模拟只取两根扁平管之间的一半区域。在扁平管管长方向，取两个相邻翅片间的区域作为数

5、值模拟的计算域，并将计算区域人口边界和出口边界分别延长50、150mm，以避免人口处的人口效应和出口边界的回流现象对计算结果产生影响。用GAMBIT建立模型，蛇形翅片管的计算域如图2所示。模速度图2蛇形翅片管计算域告(叩，；，)+V(叩。玩¨=1．2控制方程笔者采用欧拉多相流模型。单相模型中，只求解一套动量和连续性的守恒方程，为了实现从单相模型到多相模型的改变，必须引入附加的守恒方程。在引入附加的守恒方程的过程中，必须修改原始的设置。这个修改涉及到多相体积分数a。，a：，⋯，a。的引入和相之间动量

6、交换的机理。1．2．1体积分数q相的体积匕定义为：匕=Ia，dv(1)JF口。是第g相的体积分数，则：∑a。=1(2)口1．2．2质量守恒q相连续方程为：⋯⋯啬(咿，)+V(叩藏)=喜。(吒)(3)；。是q相的流速，而朋表示从第P相到q相的f。是第q相的压力应变张量。』1‘；，=a以(V；，+V巧)+a。(A，一争，lV；，7(5)、一，p，和A。是q相的剪切粘度和体积粘度，】}．，是外部体积力，j}．。i¨是升力，】}．Fm,q是虚拟质量力，R。是相之间的相互作用力，P是所有相共享的压力。1．3

7、边界条件人口为流速型入口条件，分别对混合相、单相进行设置，入口流速范围是12—18m／s，固相是不同粒径的岩屑，密度P为2500kg／m3，粒径为0．1～0．5mm，体积分数为2％～10％；出口为自由压力出口；在管束和翅片对称平面上，满足对称边界条件；在扁平管管长方向的两个计算平面上，取为周期性边界条件；翅片和椭圆基管采用铝材。1．4计算方法采用Fluent软件进行计算，计算湍流模型采用标准k-8两方程模型，壁面采用标准壁面，各方程的离散化均采用一阶迎风格式，压力与流速的耦合关系采用Simple算

8、法。求解器采用压力基隐式求解器。2模拟结果及分析2．1湍流强度分析图3为相同粒径(0．4mm)时，不同流速、体积分数对湍流强度的影响。由图3可知，固相颗粒的引入使湍流强度增加，有利于除垢，湍流强度随着流速和固相体积分数的增大而增大。流速和固相体积分数匕在较小的变化范围内对湍流强度的影响几乎相同，随着流速和体积分数的增大，体积分数对湍流强度的影响大于流速对湍流强度的影响。在空冷凝汽器高压水除垢过程中，考虑到节水、节能，可以合理的增加固相体积分数。图3流速、体积分数对湍流强度的影响51