擾流孔及翅片間距對直接空冷蛇形翅片管流動與換熱的影響

賀曉怡，陰繼翔，王 濤，馬素霞

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擾流孔及翅片間距對直接空冷蛇形翅片管流動與換熱的影響

賀曉怡，陰繼翔，王 濤，馬素霞

（太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原 030024）

在傳統直接空冷單排蛇形翅片扁平管上增設擾流孔以強化換熱。本文應用Fluent軟件對 有、無擾流孔的2種蛇形翅片扁平管（蛇形翅片管）模型進行三維數值模擬，研究了1.4、2.2、3.0、3.8 m/s 4種迎面風速下不同翅片間距對有、無擾流孔的2種型式翅片管換熱、阻力以及綜合性能的影響。結果表明：與未開孔的蛇形翅片管相比，增設擾流孔的蛇形翅片管在各種翅片間距、迎面風速下使空氣側的換熱系數提高1%～18%，且流動阻力略微減小；在較小的迎面風速范圍內，增設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；流動阻力；數值模擬

直接空冷系統廣泛應用于我國富煤缺水地區的火力發電機組中[1-3]，其核心部件是翅片管束結構的空冷凝汽器。20世紀70年代至今，直接空冷凝汽器所采用的翅片管經歷了4排等管徑連續翅片結構、雙排橢圓管矩形翅片結構、3排橢圓管橢圓形翅片結構及單排扁管蛇形翅片結構4個階段[4]。其中，單排蛇形翅片扁平管因其具有換熱面積大、流動阻力小、防凍性能好、傳熱系數高等諸多優點而成為直接空冷換熱元件的主要結構形式[5-6]。

針對直接空冷單排蛇形翅片扁平管空氣側的換熱與流動性能，已有很多學者進行了研究。文獻[7-8]分別通過數值模擬和風洞實驗的方法研究了迎面風速對蛇形翅片扁平管（蛇形翅片管）換熱系數的影響，結果表明氣側換熱系數隨迎面風速的增大而逐漸增大。申微波[9]研究了蛇形翅片的厚度對翅片管換熱系數與流動阻力的影響，發現不同迎面風速下翅片管的對流換熱系數與流動阻力均隨翅片厚度的增加而增大。馬榮榮[10]研究發現，蛇形翅片管的換熱系數與流動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換熱系數的影響，發現在一定范圍內，換熱系數隨擾流孔間距的減小而增大，但在超過一定界限后，換熱系數無明顯提高。文獻[12-13]研究發現，在矩形翅片上加設擾流孔后翅片管的換熱性能得到提高。

綜上，開孔翅片可以提高翅片管的換熱性能，但針對直接空冷蛇形翅片管的研究主要集中在迎面風速與蛇形翅片尺寸上，對于蛇形翅片上增設擾流孔強化換熱的文獻較少。本文建立了相同結構尺寸下有、無擾流孔的2種翅片管數值模型，通過應用Fluent軟件研究了1.55、1.85、2.15、2.45、2.75、3.05、3.35 mm 7個翅片間距的蛇形翅片管在4種迎面風速下的換熱、流動阻力以及綜合性能，相關結論可為蛇形翅片管的研究及選擇提供參考依據。

1 幾何模型及區域網格化

圖1為實際工程中采用的蛇形翅片管。為便于建模，將蛇形翅片簡化為矩形翅片。由于蛇形翅片的幾何形狀與流動換熱皆具有對稱性，選擇翅片單元（一個“Z”形的翅片與翅片兩側的各一半流動空間）為研究對象，計算區域如圖2所示。

為防止入口效應和出口回流的影響，分別在進、出口區域設置長度為50 mm和400 mm的延長區。扁平管采用鋼管，管外釬焊鋁合金蛇形翅片。扁平管長軸為=219 mm，短軸為=19 mm，壁厚為=1.5 mm；翅片的長度為=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數為=15，孔徑為=3 mm。

使用Gambit軟件生成計算域網格。為了便于劃分網格并獲得高質量的網格，對計算域進行了分塊處理。進口區域與出口區域結構簡單，使用結構化網格。翅片換熱區域速度變化劇烈，采用給壁面附近和開孔處及其周圍加密的方法。開孔處使用非結構化網格，其余部分采用結構化、非均勻的六面體網格。翅片的局部區域網格結構如圖3所示。

2 控制方程與邊界條件

本文的模擬計算基于以下假設：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流與輻射換熱；4）扁平管內壁面溫度恒定；5）流體在管外翅片間的流動為穩態。

控制方程[14]如下：

動量方程：

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。

流體進口面為速度進口，界面上速度及溫度均勻。出口為壓力邊界條件，無回流發生。扁平管內壁面設為等溫壁面，外壁面與翅片表面均為耦合面，其他表面設置為對稱邊界條件。

選擇適用于求解不可壓縮流體流動計算的壓力求解器。其中，速度與壓力耦合采用Simple算法，對流項的離散采用Power Law格式。

3 模型驗證

3.1 網格無關性驗證

數值模擬作為一種近似求解方法，其網格數目直接影響計算結果精度。為了選取合適的網格 數目，須先進行網格無關性檢驗。以翅片間距 2.75 mm、迎面風速2.2 m/s工況下的開孔蛇形翅片管為例，采用6種網格數目對開孔蛇形翅片管的數值模型進行計算，結果如圖4所示。由圖4可知，網格數為1 186 752與1 325 454時換熱系數的相對誤差為0.1%，這表明選取網格數約為118萬的模型進行后續模擬計算較為合理。

3.2 算法驗證

為了驗證本文算法及模型的合理性與有效性，使用文獻[14]中扁平管蛇形翅片模型進行模擬計算，得到傳熱系數與流動阻力的變化關系。圖5為本文模擬結果與文獻[14]的比較。由圖5可知，模擬值與文獻[14]數據相比誤差較小，傳熱系數與流動阻力的最大誤差為2.94%和7.80%。該誤差在可接受范圍內，驗證了本文算法及模型的正確性。

4 計算結果分析

本文數據處理的相關參數定義[15]如下：

式中，m為空氣定性溫度，in、out分別為計算域進、出口空氣溫度，Δ、e、、m、分別為進出口壓差、翅片管當量直徑、空氣密度、翅片管最小截面處流速、翅片沿空氣流動方向的長度（取0.2 m），、、分別為努塞爾數、雷諾數和普朗特數。

4.1 速度場

圖6為迎面風速=1.4 m/s時有、無擾流孔的翅片管翅片間距中心截面的速度分布。空氣由左端進入，流動至扁管時流速逐漸增大。當空氣流經翅片通道時其流速達到最大值。翅片間空氣的平均流速為進口迎面風速的1.6~1.8倍。隨著翅片間距的增加，流速提高的倍數越小。對比圖6b)、d)可見，在翅片間距較大時翅片間空氣流速更小。產生此現象的原因在于，與進口處相比，翅片區域的流動截面積減小。隨著翅片間距的增大，翅片厚度不變，翅片厚度截面在整個計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越大，速度提高的比例也因此越來越小。

從圖6中還可以看出：空氣在進入翅片通道前，有、無擾流孔2種翅片通道內的流動狀況基本相同；當空氣流經翅片開孔處，流動空間瞬間增大，流速明顯減小，空氣在流動過程中受到擾動，且阻礙了邊界層的持續發展，不過擾流孔對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中，翅片根部與頂部的空氣流速未受到影響；在同一迎面風速下，翅片間距增大，擾流孔對翅片間空氣流動的影響減弱；在翅片間距為3.35 mm的流道中剖面的速度分布基本沒有受到孔的擾動，因此，隨著翅片間距的增加，擾動減小，換熱強化效果減弱。

圖7為翅片間距=1.55、2.45 mm時有、無擾流孔翅片管在翅片高度9.5 mm處橫截面的速度場。由圖7可見：邊界層變化明顯，平直蛇形翅片管的流道內速度分布相同、流動均勻；由于擾流孔的存在，翅片截面被間斷，在間斷處，空氣流動明顯受到擾流孔的影響，邊界層經歷了不斷地斷裂和形成，從而增強了換熱。

圖7 不同翅片間距時翅片高度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

不同迎面風速下換熱系數隨翅片間距的變化關系如圖8所示。

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

由圖8可見：在不同迎面風速下，翅片管換熱系數的變化趨勢一致；翅片管的換熱系數隨著翅片間距的增加、迎面風速的減小而減小；在所計算的迎面風速與翅片間距下，帶擾流孔的翅片管的換熱系數均大于無擾流孔的翅片管，換熱系數提升1%~18%；擾流孔對換熱系數的提高程度與翅片間距、迎面風速有關，在較小的迎面風速與翅片間距范圍內，增設擾流孔對換熱系數的提高更為顯著。

4.3 流動阻力

4種迎面風速下有、無擾流孔2種類型翅片管的阻力系數隨翅片間距的變化關系如圖9所示。由圖9可見，有、無擾流孔2種翅片管的阻力系數隨著迎面風速與翅片間距的增大而減小，減小的趨勢逐漸變緩。對比各工況下2種翅片管的流動性能發現，擾流孔對阻力系數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，為此需要對換熱技術進行綜合性能評估。本文以/[9]作為綜合性能的評價指標，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面積越小。圖10為有、無擾流孔翅片管在不同迎面風速下/隨翅片間距的變化。由圖10可見：除小迎面風速（=1.4 m/s）外，其他迎面風速下隨著翅片間距的增大，/呈先增大后減小趨勢，且翅片間距較小時更為明顯；迎面風速越大，/變化趨勢變緩，最佳翅片間距隨著迎面風速的增加而減小。對于2種蛇形翅片管，不同迎面風速下的最佳綜合換熱結構也不盡相同。按迎面風速由小至大排序，無孔翅片管的最佳翅片間距依次為3.35、3.05、2.75、2.45 mm，開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，在迎面風速較小時增設擾流孔可以減小翅片間距，從而使得翅片換熱結構更為緊湊。

5 結 論

1）翅片間空氣流速為進口迎面風速的1.6~ 1.8倍。翅片間距越小，翅片區域的風速提高的倍數越大，這是導致翅片間距較小時取得較高換熱系數的原因之一。

2）增設擾流孔后翅片管的換熱系數提高了1%~18%，且提高的程度隨著翅片間距與迎面風速的增大而逐漸減弱；擾流孔對翅片管阻力性能的影響甚微。可見，對于較小的迎面風速和翅片間距，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先增大后減小（1.4 m/s除外）。當迎面風速較小時，增設擾流孔使得最佳翅片間距減小，單位容積內可以布置較多翅片使得換熱器結構更為緊湊。

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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，主要研究方向為對流換熱強化技術，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直接空冷蛇形翅片管流動與換熱的影響[J]. 熱力發電, 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(MD2016-02)；國家自然科學基金項目(51476108)

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

（責任編輯 劉永強）