中固T程热物理学会 传热传质学

　　第卜一届年会 编垮：

　　开孔矩形翅片椭圆管流动与换热

　　特性的数值研究

　　张来杜小泽杨立军冯丽丽杨勇平

　　华北LU力火学能源与动力工程学院暨电站设备状态船测与控制教育部重点实验室，北京

　　电话：(OLOE-maih

　　duxz@ncepubj．edu．gn

　　摘要：对直接空冷机组凝汽器中的矩形翅片椭圆管外空气侧建立三维计算模型，在分析不同迎面风速

　　下的无扎翅片表面的局部换热系数分布规律的基础上，对有扰流孔翅片管的流动与换热特性进行数值

　　模拟；比较了扰流孔的尺寸、数目和位置对管外空气侧流动与换热的影响，结果表明：扰流孔尺寸对

　　流动与换热存在明媪影响，而扰流孔数目和位置的影响相对比较小。

　　关键词： 对流换热，流动特性，矩形翅片椭囫管

　　1引言

　　由于水资源的日益短缺，我国中西部地区越来越多的火力发电机组将不得不采用直

　　接空冷凝汽器来代替耗水量巨大的湿冷系统。在空冷凝汽器中，管内为蒸汽的凝结放热，

　　管外是空气的强迫对流，因此整个换热热阻主要集中在管外空气侧。为了改善空气侧的

　　换热效果，直接空冷凝汽器的基本换热元件一般采用翅片管，目前较为广泛采用的是椭

　　圆管套矩形翅片的型式。翅片管外空气侧的流动与换热会直接影响凝汽器的性能，进而

　　对电厂机组运行的经济性、安全性及空冷设备的造价产生重要的影响。深入了解翅片管

　　空气侧的流动与传热特性，探讨传热强化的途径，是进一步提高空冷凝汽器的换热性能、

　　降低轴流风机功耗的基础。

　　已经有大量文献对空气横掠翅片管的传热性能进行了实验和数值模拟研究【l～3】。除

　　了探讨翅片的结构和型式对换热效果的影响外【4，5】，在翅片表面上开扰流孔和开缝是常

　　用的强化措施之--[6]。文献【7]实验研究了开有扰流孔的矩形翅片表面的换热机理；文

　　献[8，9]则应用数值模拟的方法对翅片开缝进行了传热和流动特性研究。

　　本文针对目前直接空冷机组中实际采用的某型号矩形翅片管，应用数值模拟的方

　　法，分析了不同风速下翅片表面的局部换热系数分布规律；在此基础上，分析了扰流孔

　　尺寸、数目及扰流孔位置对管外空气侧流动与换热的影响。本文的工作，将对矩形翅片

　　管在实际应用中的进一步优化设计提供依据。

　　2理论分析

　　2．1物理模型

　　针对直接空冷机鳃中应用的某型

　　号矩形翅片管进行分析。图1所示是

　　开有均匀扰流孔的椭圆管矩形翅片示

　　意图。其中，翅片间距H=4mm，翅片

　　厚度D=o．35mm。图中所示的正方形

　　扰流孔尺寸占为3x3mm。假设翅片管

　　图1带扰流孔的翅片

　　为K管，由于流动和换热具有周期性的特点，选取了含有一个翅片的几何单元作为计算

　　【嚣域进行儿何建模。为了避免出口边界回流对计算结果产生影响，将计算区域进行了适

　　技术生成体网格，并对网格的独立性进行了考察，确保所得的数值解是网格独立的解。

　　图2椭图翅片管的三维几何模型

　　对物理模型作如下假设：

　　(1)计算区域中的流动与换热是稳态的，因此可不考虑控制微分方程中的时间项；

　　(2)计算区域中的空气为不可压缩牛顿流体；忽略空气物性随温度的变化；

　　(3)翅片的导热系数为常数；忽略翅片与基管之间的接触热阻；

　　(4)忽略椭圆管面与翅片之间的辐射换热；

　　(5)椭圆管壁为恒壁温边界条件。

　　2．2边界条件

　　入口设为速度型入口条件，计算之前设定入口速度：出口为自由压力出口。翅片表

　　面采用耦合壁面边界条件处理，椭圆管壁面温度根据汽轮机的排气压力确定，本文中取

　　为336K；来流空气计算域入口温度为290K；其余的几何体表面由于对称性设定为周期

　　性边界条件。翅片及椭圆基管采用钢材。

　　2．3计算方法

　　采用FLuENTJ”软件进行计算，模型采用标准的K-e两方程紊流模型，能量、动量、

　　湍流动能和湍流扩散率方程的离散化采用二阶迎风格式，压力与速度的耦台关系采用

　　SIMPLE算法[101。

　　3计