冷卻器并聯(lián)冷卻管內(nèi)水流分配特性分析與應(yīng)用

高春林　吳文波

摘要：通過(guò)CFD數(shù)值模擬，對(duì)3種冷卻器模型并聯(lián)冷卻管內(nèi)水流分配特性進(jìn)行分析和對(duì)比，探究水流分配器對(duì)冷卻水流的分配作用，為提高冷卻器的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命提供應(yīng)用依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;冷卻器;水流分配器;水流分配特性

中圖分類號(hào)：TV734 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）02-0043-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.012

0 ? ?引言

瀾滄江流域蘊(yùn)藏著豐富的水能資源、有色金屬資源、旅游資源和生物資源。早在1985年，國(guó)家計(jì)委就將瀾滄江中游地區(qū)選為水電-有色金屬基地，列為國(guó)家19個(gè)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)之一。瀾滄江流域在經(jīng)濟(jì)得到發(fā)展的同時(shí)，也出現(xiàn)了水質(zhì)污染等環(huán)境問(wèn)題[1]。近年來(lái)，該流域多個(gè)水電站發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、油冷卻器相繼進(jìn)入檢修更換階段，電廠檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，冷卻管入口處在水流長(zhǎng)期沖刷下普遍存在管壁厚度不均、管板脹接處漏水問(wèn)題，給冷卻器的使用性能及壽命帶來(lái)較大影響。

本文采用CFD軟件對(duì)3種結(jié)構(gòu)的冷卻器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)水流分配器對(duì)冷卻器內(nèi)水流分配特性有著顯著影響，并將分析結(jié)果應(yīng)用于冷卻器產(chǎn)品中。

1 ? ?冷卻器并聯(lián)冷卻管幾何模型

冷卻器內(nèi)流量分布狀況最終取決于流體壓力沿軸向的變化，而壓力的變化規(guī)律則受以下兩個(gè)方面因素的制約：（1）沿程摩擦阻力;（2）分流和匯流造成的流體動(dòng)量的沿程變化[2]。

圖1為常規(guī)不帶水流分配器的冷卻器模型，冷卻水從下方入口進(jìn)入后，通過(guò)下水箱分別進(jìn)入冷卻管中，然后在上水箱內(nèi)匯流后經(jīng)出口流出。圖2為改型不帶水流分配器的冷卻器模型，通過(guò)對(duì)冷卻器下水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，改變水流進(jìn)入冷卻管管口的方向，以此來(lái)達(dá)到改善水流分配特性的目的。圖3為在圖1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加裝水流分配器的冷卻器模型，通過(guò)加裝水流分配器，改變冷卻水在水箱中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，改善各冷卻管內(nèi)水流分布，同時(shí)減少冷卻水對(duì)冷卻管口的沖刷腐蝕。圖4為模型幾何坐標(biāo)圖。

2 ? ?數(shù)學(xué)模型

采用有限元方法對(duì)模型中流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型運(yùn)用k-ε 二方程模型，介質(zhì)服從質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。工作流體為液態(tài)水，質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和湍流附加方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中：u、v和w分別為速度在x、y和z方向上的分量。

動(dòng)量守恒方程：

3 ? ?數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 ? ?速度矢量圖

通過(guò)CFD數(shù)值模擬，分別得到3種模型的速度矢量圖，如圖5、圖6、圖7所示。

結(jié)果分析：

（1）圖5——進(jìn)水口兩側(cè)會(huì)形成較大的漩渦，正對(duì)入口位置及靠近出口位置的冷卻管管內(nèi)水速較高，左起第4根冷卻管管內(nèi)水速極低，靠近右側(cè)漩渦頂端的冷卻管入口處水速極高。

（2）圖6——進(jìn)水口兩側(cè)會(huì)形成漩渦（略小于圖5），正對(duì)入口位置及靠近出口位置的冷卻管管內(nèi)水速較高，左起第4根冷卻管管內(nèi)水速極低，靠近右側(cè)漩渦頂端的冷卻管入口處水速極高。

（3）圖7——進(jìn)水口兩側(cè)無(wú)明顯漩渦，通過(guò)水流分配器后進(jìn)入冷卻管內(nèi)的水速較均勻，冷卻管各入口處無(wú)極高水速情況。

（4）通過(guò)對(duì)比可以看出，圖3模型打散了進(jìn)水口兩側(cè)的漩渦，水速極高位置出現(xiàn)在水流分配器上，減少了冷卻水對(duì)冷卻管入口的沖刷;水流分配器能有效改善各冷卻管內(nèi)水速分布，使管內(nèi)水速趨向均勻。

3.2 ? ?Y=120處管內(nèi)水速分布圖

通過(guò)CFD數(shù)值模擬，分別得到3種模型在Y=120處冷卻管管內(nèi)水速分布對(duì)比，如圖8所示。

結(jié)果分析：

（1）圖1模型——編號(hào)5、6、9、10的冷卻管內(nèi)水速較高，編號(hào)3、7、8的冷卻管內(nèi)水速較低，編號(hào)4的冷卻管內(nèi)水速極低。

（2）圖2模型——編號(hào)5、6、9、10的冷卻管內(nèi)水速較高，編號(hào)7的冷卻管內(nèi)水速較低，編號(hào)4的冷卻管內(nèi)水速極低。

（3）圖3模型——除編號(hào)10的冷卻管內(nèi)水速較高外，其余管內(nèi)水速分布趨向均勻。

（4）通過(guò)對(duì)比可以看出，相比于圖1模型，圖2模型改善了編號(hào)6的冷卻管內(nèi)水速，但對(duì)編號(hào)4的冷卻管內(nèi)水速無(wú)改善效果，其余冷卻管內(nèi)水速趨向均勻;相比于圖1模型和圖2模型，圖3模型對(duì)冷卻管內(nèi)水速分布均勻性改善效果明顯。

3.3 ? ?冷卻管進(jìn)出水口壓力分布圖

通過(guò)CFD數(shù)值模擬，分別得到3種模型在冷卻管入口P1（Y=50）、出口P2（Y=190）處的水壓，并計(jì)算得出壓差比ΔP，對(duì)比如圖9所示。

結(jié)果分析：

（1）圖1模型——編號(hào)3、7、8的冷卻管內(nèi)壓差比為負(fù)值，編號(hào)4的冷卻管內(nèi)壓差比為1%。

（2）圖2模型——編號(hào)7、8的冷卻管內(nèi)壓差比為負(fù)值，編號(hào)4的冷卻管內(nèi)壓差比為0%。

（3）圖3模型——編號(hào)7的冷卻管內(nèi)壓差比為負(fù)值，其余壓差比趨向均勻。

（4）通過(guò)3種模型壓差比對(duì)比圖可以看出，相比于圖1模型，圖2模型改善了壓差分布，但是編號(hào)4的冷卻管存在惡化趨勢(shì);相比于圖1模型和圖2模型，圖3模型壓差分布趨于均勻，改善效果明顯。

4 ? ?水流分配器在水電機(jī)組配套冷卻器上的應(yīng)用

基于水流分配器對(duì)冷卻器中冷卻水流的分配作用的分析，技術(shù)人員在模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出水流分配器產(chǎn)品，并成功應(yīng)用于云南瀾滄江流域多個(gè)電廠發(fā)電機(jī)空氣冷卻器中。自這些空氣冷卻器投運(yùn)以來(lái)，性能穩(wěn)定可靠。在隨后的電廠油冷卻器改造中，水流分配器都得到了應(yīng)用;在新的空氣冷卻器改造中，電廠也普遍提出了空氣冷卻器須帶水流分配器的要求。可見(jiàn)，根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用效果和電廠需求情況，水流分配器在冷卻器產(chǎn)品上應(yīng)用前景廣闊。

5 ? ?結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)冷卻器并聯(lián)冷卻管內(nèi)水流分配特性數(shù)值模擬結(jié)果的分析，結(jié)合其在產(chǎn)品上的應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論：

（1）水流分配器能夠打散進(jìn)水口兩側(cè)的漩渦區(qū)，使水速極高位置出現(xiàn)在水流分配器上，減少冷卻水對(duì)冷卻管入口的沖刷，可以延長(zhǎng)冷卻器的使用壽命，并提高其工作可靠性;

（2）水流分配器能有效改善各冷卻管內(nèi)水速分布，使管內(nèi)水速趨向均勻;

（3）水流分配器可以在冷卻器產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 支國(guó)強(qiáng)，戴麗.瀾滄江流域環(huán)境狀況及“十一五”水環(huán)境保護(hù)展望[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2008，27（5）：31-34.

[2] 張潤(rùn)來(lái)，方一紅.并聯(lián)管組模型流動(dòng)均勻性分析[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（2）：45-48.

收稿日期：2021-10-28

作者簡(jiǎn)介：高春林（1983—），男，安徽蚌埠人，工程師，從事水火電發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。