數(shù)值模擬在蒸發(fā)冷卻中的應(yīng)用

李 婷,強(qiáng)天偉

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,西安710048)

引言

近年來,鑒于蒸發(fā)冷卻技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外對蒸發(fā)冷卻技術(shù)越來越重視,對該領(lǐng)域的研究不斷深入。目前國內(nèi)以實(shí)驗(yàn)研究與理論分析為主。無論是理論分析還是實(shí)驗(yàn)研究的方法都有較大的限制。鑒于問題的復(fù)雜性,要得到分析解有時(shí)是不可能的,實(shí)驗(yàn)的方法又可能需要昂貴的費(fèi)用,而數(shù)值計(jì)算的方法具有成本較低且能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點(diǎn)。對蒸發(fā)冷卻過程中的傳熱傳質(zhì)問題,一旦建立了合理的數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬結(jié)果對實(shí)驗(yàn)研究和理論分析就會具有一定的指導(dǎo)作用,而且可以拓寬實(shí)驗(yàn)研究的范圍,減少成本昂貴的實(shí)驗(yàn)工作。但目前數(shù)值模擬技術(shù)在蒸發(fā)冷卻中的應(yīng)用還沒有真正達(dá)到用于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的程度,還存在很多問題,需要我們不斷進(jìn)行研究并解決。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)

1.1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)簡介

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一項(xiàng)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的技術(shù)。水在空氣中具有蒸發(fā)能力。在沒有其他熱源的情況下,水與空氣進(jìn)行熱濕交換,空氣把顯熱傳遞給水,使空氣溫度降低;由于水的蒸發(fā),空氣中的含濕量增加,且進(jìn)入空氣的水蒸氣帶回一些氣化潛熱[1]。由于蒸發(fā)冷卻過程是以水作為制冷劑的,不使用CFCs,所以對大氣環(huán)境無污染,而且可直接采用全新風(fēng),極大地改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1.2 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展及其研究現(xiàn)狀

蒸發(fā)冷卻技術(shù)在美國和澳大利亞的研究較早。在美國,已成立 “蒸發(fā)冷卻協(xié)會”(The Evaporative Cooling Institude,簡稱ECI),這一組織積極提倡應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù),收集并出版蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用、安裝、運(yùn)行與維護(hù)數(shù)據(jù),發(fā)布規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),肯定并獎勵對蒸發(fā)冷卻的研究,以此來推廣蒸發(fā)冷卻設(shè)備在全世界的應(yīng)用。由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保、高效、節(jié)能的冷卻技術(shù)。鑒于其無以倫比的優(yōu)越性,引起了各國科學(xué)家對蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究工作的關(guān)注。在我國,將蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)作為自然冷源替代人工冷源的研究早在20世紀(jì)60年代已引起國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,20世紀(jì)80-90年代,我國對蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究主要集中在同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等高校,主要研究蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的傳遞過程理論分析、熱濕交換計(jì)算、填料性能以及其他相關(guān)試驗(yàn)。與此同時(shí),哈爾濱空調(diào)廠生產(chǎn)出第一臺填料蒸發(fā)式空氣冷卻機(jī),新疆綠色使者有限公司開發(fā)出了親水性鋁填料直接蒸發(fā)冷卻器等系列產(chǎn)品,福建奧藍(lán)集團(tuán)開發(fā)出了系列蒸發(fā)冷卻機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì),西安工程大學(xué)以黃翔老師為領(lǐng)頭人的蒸發(fā)冷卻團(tuán)隊(duì)對蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和推廣應(yīng)用工作,并取得了可喜的成績。目前,蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)已經(jīng)在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區(qū)以及廣東、福建、浙江等沿海地區(qū)得到推廣應(yīng)用。

2 數(shù)值模擬技術(shù)在蒸發(fā)冷卻空調(diào)中的應(yīng)用

2.1 Fluent技術(shù)

Fluent是用于計(jì)算流體流動和傳熱問題的程序,是目前市場占有率最大的CFD軟件包,在美國的市場占有率為60%。Fluent開發(fā)了適用于各個(gè)領(lǐng)域的流動模擬軟件,模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動,模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象,軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面,而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同。舉凡跟流體,熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工程問題均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能,在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括:燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。軟件的設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的思想,從用戶需求角度出發(fā),針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象,軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法,以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合,從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題。利用Fluent完成一個(gè)流體流動與傳熱問題的計(jì)算流程為:首先利用Gambit或者其他前處理器完成模擬對象幾何結(jié)構(gòu)的建模以及計(jì)算網(wǎng)格的生成與劃分,然后將網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行求解計(jì)算,最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

2.2 數(shù)值模擬技術(shù)在蒸發(fā)冷卻中的應(yīng)用

國內(nèi)針對蒸發(fā)冷卻的理論研究起步較早,也很重視,其研究成果的理論深度和廣度處于國際領(lǐng)先水平,由于其涉及到流體力學(xué)傳熱學(xué)的蒸發(fā)相變和兩相流問題,無論從理論還是實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行研究都有一定的限制,而且可能需要昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。由于受到外界條件的干擾,實(shí)驗(yàn)效果會隨著外界多種因素發(fā)生變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往并不準(zhǔn)確、穩(wěn)定,但數(shù)值模擬不受外界條件干擾,模擬結(jié)果較穩(wěn)定、成本低且能模擬較復(fù)雜或較理想的過程,對我們的實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)作用。

同濟(jì)大學(xué)的楊建坤,張旭,徐琳對長5m,寬4m,高3m的蒸發(fā)冷卻空調(diào)房間的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬,主要針對房間的三維溫度場、速度場以及熱舒適指標(biāo)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明:蒸發(fā)冷卻空調(diào)器能夠有效的改善室內(nèi)熱環(huán)境,使在通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)方面滿足人體的熱舒適要求,并且在常規(guī)滿足最不利條件時(shí)空調(diào)要求的設(shè)計(jì)方案,適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)的設(shè)計(jì)[3]。廖毅剛、侯小全、周光厚對三峽地下電廠水輪發(fā)電機(jī)的蒸發(fā)冷卻進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究,通過一系列全面的模型試驗(yàn),掌握了負(fù)荷、壓力、液位、二次水流量等與溫度的關(guān)系,科學(xué)地指導(dǎo)了三峽地下電廠蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要部件的合理選型,如冷凝器、管路接頭、卡套等的選擇,同時(shí)提出了蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的液位、流量、壓力等主要參數(shù)在各種工況下的合理設(shè)定值以及故障工況下的報(bào)警值、極限值,確保了三峽地下電廠蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的安全性和合理性[4]。西安工程大學(xué)的汪周建對管式間接蒸發(fā)冷卻器的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并測定了換熱器內(nèi)部的叉排管束間溫度場、速度場,以及換熱器內(nèi)部橢圓管外壁水膜蒸發(fā)的質(zhì)量通量密度,這些都是實(shí)驗(yàn)不易測定的數(shù)據(jù)[5]。湖南科技大學(xué)的段滿清以直接蒸發(fā)冷卻器為研究對象,通過模擬得出直接蒸發(fā)冷卻器工作性能的影響因素以及影響規(guī)律,所得出的結(jié)論如下:填料厚度和迎面風(fēng)速能夠直接影響到直接蒸發(fā)冷卻器的工作性能,其中溫降、加濕量以及冷卻效率會隨著填料厚度的增加而增大,隨著迎面風(fēng)速的提高而減小,而入口空氣干濕球溫度及相對濕度對直接蒸發(fā)冷卻器的冷卻效率無多大影響,但被處理的空氣如果其干濕球溫度差增加了,它的溫降和加濕量就會隨之增大[6]。西安工程大學(xué)的杜鵑從理論分析和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究,得出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的熱工計(jì)算方法,并找出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的冷卻效率與其影響因素之間的定量關(guān)系,為進(jìn)一步優(yōu)選填料和優(yōu)化蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的工作條件提供了依據(jù),并通過模擬測試可以直觀的看出各影響因素對直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)工作性能及被處理空氣狀態(tài)變化的影響規(guī)律,而且通過對西北四個(gè)城市使用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)的溫降效果進(jìn)行模擬測試并繪出測試曲線,這些都可以為實(shí)際工程提供參考和指導(dǎo)[7]。

2.3 數(shù)值模擬技術(shù)在蒸發(fā)冷卻中的應(yīng)用所存在的問題及今后的研究方向

數(shù)值模擬具有費(fèi)用低、周期短、信息量大,能夠充分反映幾何形狀的影響程度等特點(diǎn)。目前數(shù)值模擬技術(shù)還沒有真正達(dá)到用于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的程度,雖然幾何模型由簡單模型發(fā)展到趨于實(shí)際模型,流體流動分析計(jì)算精度逐步提高,國內(nèi)外研究者在二維以及多維數(shù)值模擬計(jì)算蒸發(fā)冷卻工作過程方面也取得了很大的成績,但仍存在很多問題,如:三維的計(jì)算還很不完善,復(fù)雜邊界的處理很粗糙,對網(wǎng)格處理進(jìn)行了簡化,模型比較簡單;一系列CFD軟件的模擬計(jì)算結(jié)果經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的不多,并且如何運(yùn)用這些軟件實(shí)現(xiàn)逆命題的研究尚未實(shí)現(xiàn)等等。因此,我們應(yīng)該看到目前的數(shù)值模擬還沒有真正達(dá)到用于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的程度,應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行研究:加強(qiáng)對穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)的研究;尋找合適通用的蒸發(fā)冷卻填料的網(wǎng)格系統(tǒng)生成方法,提高處理復(fù)雜幾何邊界的能力;尋找和開發(fā)更接近實(shí)際的蒸發(fā)冷卻層流及湍流模型;開發(fā)高精度、高效率的計(jì)算方法,提高計(jì)算效率;積極開展實(shí)際流場的測量,獲得更多的定量的信息,為檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果提供試驗(yàn)依據(jù)。

3 結(jié)語

雖然現(xiàn)在關(guān)于蒸發(fā)冷卻的研究及應(yīng)用已經(jīng)有一定的進(jìn)展,但從國內(nèi)外對蒸發(fā)冷卻技術(shù)的總體研究現(xiàn)狀來看,目前還是以實(shí)驗(yàn)研究與理論分析為主。而由于蒸發(fā)冷卻過程熱質(zhì)交換的復(fù)雜性,其理論研究還不夠完善。在國內(nèi),還缺乏真正從數(shù)值模擬的角度對蒸發(fā)冷卻的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行的研究。而往往實(shí)驗(yàn)研究由于外界因素的影響其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確,并且可能需要昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,但數(shù)值模擬不受外界因素的影響,可以得到穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并可直接繪出在各影響因素下的溫度、濕度、冷卻效率等變化曲線,可以直觀的為實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù),同時(shí)省掉了很大一部分實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,所以我們必須不斷加強(qiáng)數(shù)值模擬方面的學(xué)習(xí)與研究、拓寬研究范圍,為實(shí)際工程提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并起到一定的指導(dǎo)作用。

[1]黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[2]黃翔.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008

[3]楊建坤,張旭,徐琳.蒸發(fā)冷卻空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2004,23(3):14-17

[4]廖毅剛,侯小全,周光厚.三峽地下電廠水輪發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻模擬試驗(yàn)研究[J].東方電機(jī).2010,(1):61-64

[5]汪周建.管式間接蒸發(fā)冷卻的數(shù)值模擬[D].西安工程大學(xué)碩士論文,2011

[6]段滿清.直接蒸發(fā)冷卻的數(shù)值模擬及應(yīng)用研究[D].湖南科技大學(xué)碩士論文,2008

[7]杜鵑.直接蒸發(fā)冷卻傳熱傳質(zhì)過程的理論分析與數(shù)值模擬[D].西安工程大學(xué)碩士論文,2004

[8]屈元,黃翔.間接蒸發(fā)冷卻器熱工計(jì)算數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證[J].FLUID MACHINERY.VOL.32.NO.11,2004