基于Fluent軟件的換熱器引風筒仿真優化設計

李海霞+侯艇+梅艷陽

1.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454150

2.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南新鄉 453000

摘 要 基于Fluent軟件，對換熱器的引風筒進行建模，通過改變風筒結構以及安裝導流片，模擬研究筒內風場分布，進而對原有結構進行優化。結果表明，改進后的引風筒結構，內部冷卻空氣分布均勻，較大提高了換熱器的冷卻能力。

關鍵詞 換熱器；Fluent 模擬；流場；導流片

中圖分類號 TK12 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）13-0083-01

換熱器是電廠、機械、動力等眾多領域中必不可少的、保證汽輪機等大型轉動設備正常運行的重要設備，其性能的優劣有時能直接影響整個系統能否正常工作，換熱器安全穩定的運行是系統其他設備安全運行的保障。為了使換熱器換熱效果更好，較多的風冷換熱器使用引風筒，引風筒作為引導氣體均勻的吹向換熱器的關鍵元件，其出口風量分布的均勻性在很大程度上影響換熱器的換熱效果，引風筒設計不當，會造成換熱器空氣流道大面積的死區以及流體流動的不均勻性，故引風筒的設計尤為重要。對此，本文利用Fluent商業軟件對引風筒模型結構參數進行優化，為引風筒設計提供參考。

1 研究對象

引風筒的結構初步設計如圖1，冷卻空氣從氣囊里流出，經過直管后，然后通過90°變徑引氣風筒后，流入換熱器中參與換熱。

2 網格劃分及數值計算方法

引風筒仿真分析遇到最大的困難，是如何在保證不影響仿真效果的前提下簡化模型。經過反復模擬分析與理論計算結果比較發現，把引風筒簡化為一定比例的網格體，能很好地模擬引風筒的流場情況。

在滿足計算精度的基礎上，為了減少整個引風筒網格數量，提高計算速度，網格劃分采用了分區域劃分的方法。采用了四面體網格和非結構化四面體網格相結合進行劃分，對引風入口進行了局部加密。網格總數為516 662。圖2為引風筒初步結構模型。入口邊界條件是表壓為5 000Pa的壓頭，出口為大氣壓力（即表壓為0），離散化采用有限體積法，壓力-速度耦合方程采用了SIMPLE算法求解，控制方程的離散采用一階迎風格式，對于壁面采用標準壁面函數。流場的計算采用的粘性模型為RNG k-ε湍流模型。

3 模擬結果分析與結構改進

3.1 模擬結果分析

通過計算機模擬計算，得出其流動跡線圖，如圖3所示：

模擬結果表明，由直管進入引氣風筒的環境大氣，在換熱器的迎風面（即引風筒的出風面）上的分布很不均勻。這主要是因為引風筒下方有一較大折彎，產生了很大流動阻力和流動死區，影響了氣流分配的均勻性，從而影響換熱器的換熱效率。因此，需對引風筒結構進行改進。

3.2 結構改進

1）改進一。將引風筒下部的彎管變為直管段。改進后結構模型及其內部引風模擬流動跡線如圖4所示。

從模擬圖中可以看出，將引氣風筒的彎管改為直管后，流體在下部形成的渦流有所減小，流體分配均勻性有所改進，但引風筒出口風量分布仍舊不均勻。因此，考慮增加翼型導流片，來使引氣風筒的流體分配均勻。

2）改進二。在改進一的基礎上，在引風筒內部增加不同數量的導流片，使冷卻風在直管出口處被強行分布。本文分別模擬3個和4個導流片作用下的引風筒內部流場分布，導流片安裝位置如圖5所示。

模擬結果見圖6。圖6表明，加入導流片后，流體流動的均勻性有了很大提高，但在安裝3個導流片情況下，引風筒下部仍存在死區；當導流片增加到4個，流體流動更加均勻。這表明，導流片的數量以及安裝位置對筒內流場分布具有很大影響。

4 結論

為了使流體流動均勻，將引風筒初步結構的彎曲管道換成直管段，并且在引氣風筒中添加導流片來引導冷卻空氣的流動，經過數次改進與模擬，最終確定了導流片的數量、安裝位置。模擬結果表明：改進后的引風筒結構，內部冷卻空氣分布均勻，較大提高了換熱器的冷卻能力。

參考文獻

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