CFD預(yù)測(cè)不同進(jìn)風(fēng)方向?qū)φ舭l(fā)式冷凝器流場(chǎng)的影響

朱進(jìn)林 謝 晶 王金鋒 杜子崢 周洪劍

（1.上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；3.上海寶豐機(jī)械制造有限公司，上海 200444）

蒸發(fā)式冷凝器是一種集冷卻塔與冷凝器，傳熱和傳質(zhì)過程為一體的高效節(jié)能設(shè)備。蒸發(fā)式冷凝器工作時(shí)，冷卻水經(jīng)過頂部的噴嘴均勻地噴淋在冷凝盤管表面，形成一層水膜，溫度較低的水膜通過潛熱和顯熱方式帶走冷凝盤管內(nèi)高溫制冷劑大部分的熱量，從而達(dá)到冷凝流體的目的。相比其他冷凝器而言，蒸發(fā)式冷凝器具有節(jié)能節(jié)水、占地面積小、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛用于制冷空調(diào)、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域［2］。蒸發(fā)式冷凝器氣流的優(yōu)化對(duì)提高冷凝效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法，可用來(lái)分析流體流動(dòng)、熱交換、分子運(yùn)輸以及熱傳導(dǎo)等一些復(fù)雜物理現(xiàn)象。與實(shí)際試驗(yàn)相比，CFD模擬具有成本低、不受物理和試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖拗啤㈧`活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能給出完整和詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算過程［3］。目前CFD計(jì)算模擬技術(shù)已趨向成熟，廣泛應(yīng)用于各式冷凝器各種場(chǎng)的研究［4－8］。郭常青等［9］利用汽液二維降膜模型，探討了壁面熱流密度、液相進(jìn)口溫度，以及空氣流速對(duì)板式蒸發(fā)冷凝器板面溫度的影響。梁治會(huì)等［10］對(duì)空調(diào)用蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行了數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要研究了噴嘴噴淋速度與安裝位置對(duì)蒸發(fā)式冷凝器換熱效果的影響，得出不同設(shè)計(jì)條件下內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布狀況，并提出了優(yōu)化方案。為了進(jìn)一步掌握進(jìn)風(fēng)因素對(duì)換熱器流場(chǎng)的影響，劉清明等［11］建立腔內(nèi)氣流流場(chǎng)的數(shù)值模型，分析得出雙面進(jìn)風(fēng)比單面進(jìn)風(fēng)更能實(shí)現(xiàn)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布的均勻性。

目前針對(duì)蒸發(fā)式冷凝器配風(fēng)量的研究較多，但這些研究［12，13］大多未能深入揭示傳熱與傳質(zhì)過程機(jī)理。本研究擬利用CFD計(jì)算軟件對(duì)蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)腔流場(chǎng)開展非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，以預(yù)測(cè)蒸發(fā)式冷凝器在不同進(jìn)風(fēng)風(fēng)向作用下5s內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的變化情況，從而為以后在蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)風(fēng)風(fēng)向設(shè)計(jì)方面提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

本試驗(yàn)研究對(duì)象為上海某機(jī)械有限公司生產(chǎn)的一款尺寸為1.4m×1.1m×2.5m蒸發(fā)式冷凝器。在合理簡(jiǎn)化冷凝器實(shí)物的基礎(chǔ)上，建立了蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)腔的三維物理模型。

在物理模型中，該模型尺寸為0.250m×0.250m×0.435m，模型底部為集水槽，高度為0.05m，空氣進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在模型壁面兩側(cè)以及頂部，兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口高度為0.1m，寬度為0.25m，頂部進(jìn)風(fēng)口長(zhǎng)度為0.125m，寬度為0.25m，盤管部分高度為0.285m，按三角叉排方式排列，共5（排）×5（列）。單根盤管長(zhǎng)度為0.25m，外徑0.025m，盤管之間橫向間距為0.05m，豎向間距為0.05m?？諝獯怪蓖L(fēng)口吹入，與盤管進(jìn)行換熱后從頂部出風(fēng)口排出。圖1為冷凝器單向進(jìn)風(fēng)的物理模型。

圖1 冷凝器單向進(jìn)風(fēng)的物理模型Figure 1 Physical model of condenser with single inlet

1.2 CFD模型

運(yùn)用Fluent自帶的Gambit軟件對(duì)物理模型區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到冷凝盤管排列方式較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不能滿足劃分需求［14］，本試驗(yàn)采用較為復(fù)雜的TGrid方法劃分，在近壁面處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。在本計(jì)算域中設(shè)定網(wǎng)格尺寸為5mm，共生成1 277 683個(gè)網(wǎng)格，經(jīng)檢驗(yàn)完全滿足計(jì)算精度需求，對(duì)于冷凝盤管部分，網(wǎng)格尺寸同樣設(shè)為5mm，每個(gè)盤管生成7 623個(gè)網(wǎng)格。

在計(jì)算之前，對(duì)上述模型進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化和假設(shè)，認(rèn)定氣流為常溫常壓下的空氣，冷凝盤管壁面溫度設(shè)為恒定。CFD運(yùn)算的基本思想是通過求解一系列流動(dòng)控制方程組來(lái)獲得流場(chǎng)變量的近似值，具體表現(xiàn)可以體現(xiàn)為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程［15］，常用流動(dòng)與傳熱問題控制方程［16］：

連續(xù)性方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

Z方向動(dòng)量方程：

能量方程：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，N·s/m2；

t——時(shí)間，s；

T——溫度，K；

p——壓力，Pa；

k——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

cp——比熱容，J/（kg·K）；

u、v、w——速度矢量的ν→的3個(gè)分量，m/s；

Sμ、Sν、Sω——廣義源項(xiàng)；

ST——粘性耗散項(xiàng)。

在本試驗(yàn)中，進(jìn)風(fēng)空氣在風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對(duì)流作用下，空氣流態(tài)從過渡狀態(tài)充分發(fā)展為湍流，雷諾數(shù)較大，根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)［17］采用k－ε模型。對(duì)于近壁面處需要使用壁面函數(shù)處理，在本模擬中選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流能量輸運(yùn)方程和能量耗散輸運(yùn)方程以及粘性系數(shù)［16］：

式中：

ρ——密度，kg/m3；

ε——耗散率，m2/s3；

k——湍動(dòng)能，m2/s2；

μ——粘性系數(shù)，N·s/m2；

σk、σε——湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)；

τtij、Sij——粘性模型和平均速度應(yīng)變率張量；

fμ——近壁衰減函數(shù)；

Φk、Φε——壁面項(xiàng)；cμ——默認(rèn)常數(shù)。

［18］，式（6）～（8）中各常數(shù)定義為：Cμ＝0.09，Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3，Prt＝0.9。

1.3 邊界條件

在本試驗(yàn)中需要對(duì)建立的物理模型冷凝器的壁面、氣流入口、冷凝盤管以及氣流出口進(jìn)行邊界設(shè)置。冷凝器的壁面按照第二類定熱流密度條件設(shè)定，冷凝盤管壁面溫度設(shè)為恒定，溫度大小設(shè)為313K；冷凝器進(jìn)風(fēng)入口按照速度入口設(shè)定，速度為0.2m/s，溫度為298K，方向垂直進(jìn)風(fēng)口，紊流強(qiáng)度設(shè)為5%，水利直徑按長(zhǎng)方形入口計(jì)算公式計(jì)算分別為0.083m和0.167m；氣流出口設(shè)為流體出口，無(wú)需定義任何內(nèi)容，此處不考慮水膜對(duì)溫度及流場(chǎng)的影響。

1.4 計(jì)算方法

冷凝器在工作時(shí)，由于風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)空氣，冷凝器內(nèi)腔氣流處于紊流狀態(tài)。在本試驗(yàn)中，采用Simplec算法求解壓力、速度的耦合，該算法計(jì)算精度高，使模擬結(jié)果更貼切實(shí)際情況［19］?？刂品匠讨懈黜?xiàng)離散格式選擇二階迎風(fēng)格式，相比一階迎風(fēng)格式，二階迎風(fēng)格式具有更小的擴(kuò)散性，模擬精度更高［20］。松弛因子設(shè)置采取默認(rèn)設(shè)置，收斂判斷條件為所有物理量的誤差小于10－6且出口速度處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬

在正常的CFD模擬中，通常默認(rèn)只有在穩(wěn)態(tài)計(jì)算前提下驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性后才能進(jìn)行下一步計(jì)算［21］。本研究中為了確保模型的可行性，對(duì)單面進(jìn)風(fēng)、雙面進(jìn)風(fēng)以及雙面加頂部組合進(jìn)風(fēng)3種方式進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，并在模型中建立了腔體平均溫度以及回流面平均溫度監(jiān)控曲線圖。圖2為3種風(fēng)向下，冷凝器穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)的三維剖面溫度分布圖，剖面位置為z＝0.2，0.3，0.4m 處的XY截面。由圖2可知，冷凝器在模擬一定時(shí)段后收斂，長(zhǎng)度方向溫度對(duì)稱分布，高度方向溫度逐漸增加，結(jié)合模型監(jiān)控曲線可以得出，內(nèi)腔溫度以及出風(fēng)口平均溫度都達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定，分別維持在302.3K以及303.2K左右，3種進(jìn)風(fēng)方式之間略有差距，誤差維持在2%以內(nèi)，這是由于模型設(shè)置過程中，對(duì)冷凝器外壁以及盤管部分所用材料設(shè)置一定熱導(dǎo)率和熱流密度導(dǎo)致的。模擬計(jì)算后的結(jié)果顯示，本模擬方法較準(zhǔn)確可靠，鑒于實(shí)際中，冷凝器工作環(huán)境為一個(gè)非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，因此有必要對(duì)冷凝器做進(jìn)一步的非穩(wěn)態(tài)模擬。

2.2 非穩(wěn)態(tài)模擬

圖2 穩(wěn)態(tài)模擬下冷凝器截面（z＝0.2，0.3，0.4m）溫度分布Figure 2 Temperature distribution in section of condenser（z＝0.2，0.3，0.4m）under steady state numerical simulation

圖3 單向進(jìn)風(fēng)0，2，5s冷凝器截面（y＝0.125m）溫度分布Figure 3 Temperature distribution at 0，2，5sin section of condenser（y＝0.125m）with single inlet

以穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)模擬的初始條件，對(duì)冷凝器進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬運(yùn)算。圖3顯示了單面進(jìn)風(fēng)冷凝器在運(yùn)算0，2，5s時(shí)的三維溫度分布圖，剖面圖選取y＝0.125m處XZ的截面。比較后發(fā)現(xiàn)，單面進(jìn)風(fēng)開始時(shí)，空氣侵入冷凝器內(nèi)部，靠近進(jìn)風(fēng)口處的溫度下降較快，空氣流速在水平方向逐漸衰減，在流動(dòng)過程中冷空氣與內(nèi)腔熱空氣不斷發(fā)生熱交換，在冷熱不同密度差的作用下，氣流組織逐漸改變了原來(lái)的運(yùn)行軌跡，當(dāng)冷空氣氣流組織在到達(dá)冷凝器內(nèi)壁時(shí)，與內(nèi)壁面發(fā)生碰撞，近壁面處出現(xiàn)拐角，進(jìn)而形成漩渦。

圖4、5分別顯示了冷凝器在單向進(jìn)風(fēng)和雙向進(jìn)風(fēng)2，5s時(shí)的空氣流場(chǎng)溫度、速度以及流場(chǎng)的分布情況。剖面圖取z＝0.1m處的XY截面。由圖4、5可知，冷凝器在進(jìn)風(fēng)時(shí)，高度方向0.1m處XY截面處溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)在長(zhǎng)度方向上較為對(duì)稱，水平方向單面空氣入侵速度快于兩面進(jìn)風(fēng)速度，這是由于兩面進(jìn)風(fēng)速度方向相對(duì)，進(jìn)入冷凝器氣流組織之間相互沖突，減緩了整體吹入速度；雙面進(jìn)風(fēng)下水平方向溫度較為平均，比起單面進(jìn)風(fēng)，能夠獲得溫度較為均勻的入口進(jìn)風(fēng)，更利于整體降低冷凝器內(nèi)腔的溫度。從2種進(jìn)風(fēng)風(fēng)向速度分布圖（圖4（f）、5（f））可以發(fā)現(xiàn)，單面進(jìn)風(fēng)冷凝器內(nèi)腔中更易出現(xiàn)渦流和死角區(qū)域，這是因?yàn)楸绕痣p面進(jìn)風(fēng)，單面進(jìn)風(fēng)時(shí)內(nèi)腔空氣流速不均勻，氣流組織在碰到管壁以及壁面時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，氣流組織分布情況更復(fù)雜，易形成較多的渦流；雙面進(jìn)風(fēng)冷氣流組織分布較為對(duì)稱，流動(dòng)情況較為簡(jiǎn)單，渦流的數(shù)量降低，且渦流的強(qiáng)度也有所減弱。

圖4 單面進(jìn)風(fēng)2，5s冷凝器截面（z＝0.1m）溫度、速度和流場(chǎng)分布Figure 4 Temperature，velocity and streamline distributions at 2，5sin section of condenser（z＝0.1m）with single inlet

圖5 兩面進(jìn)風(fēng)2，5s冷凝器截面（z＝0.1m）溫度、速度和流場(chǎng)分布Figure 5 Temperature，velocity and streamline distributions at 2，5sin section of condenser（z＝0.1m）with double inlets

圖6為雙向進(jìn)風(fēng)時(shí)冷凝器內(nèi)腔高度方向溫度變化情況。為方便觀察，分別取2，5s時(shí)距離冷凝器底部0.2，0.3，0.4m處XY截面溫度分布圖。從圖6并結(jié)合圖2雙向進(jìn)風(fēng)穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度分布可以看出，模擬2s時(shí)，由于反應(yīng)時(shí)間較短，冷凝器入口氣流組織相互沖突，降低了氣流進(jìn)入內(nèi)腔速度，影響了換熱，腔體內(nèi)部高度方向溫度在外界條件變化時(shí)略有升高；隨著冷空氣不斷吹入盤管間隙，冷氣流在浮力作用下上升，與盤管進(jìn)行換熱吸收熱量，內(nèi)腔溫度開始下降，隨著冷氣流的繼續(xù)侵入，內(nèi)腔溫度逐漸向穩(wěn)定發(fā)展；盤管彎頭與冷凝器外殼之間區(qū)域空氣流速較小，換熱效果較差，與冷凝器盤管間隙溫度相比，溫度較高。

圖7為三面進(jìn)風(fēng)時(shí)冷凝器在運(yùn)算0，2，5s時(shí)的三維溫度分布圖，剖面圖選取y＝0.05，0.15，0.22m 處的XZ截面。比較三者可以看出，三面進(jìn)風(fēng)開始時(shí)，冷凝器內(nèi)腔壓力在冷熱氣流溫差作用下壓差較大，瞬間進(jìn)入內(nèi)腔冷氣流較多，內(nèi)腔溫度有所下降，隨著時(shí)間的推移，侵入的冷氣流逐漸增多，三股氣流組織匯合，空氣與盤管進(jìn)一步換熱，內(nèi)腔溫度慢慢升高，經(jīng)歷一段時(shí)間后，內(nèi)腔溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 雙向進(jìn)風(fēng)2，5s冷凝器截面（z＝0.2，0.3，0.4m）溫度分布Figure 6 Temperature distribution at 2，5sin section of condenser（z＝0.2，0.3，0.4m）with double inlets

圖7 三面進(jìn)風(fēng)冷凝器0，2，5s時(shí)截面（y＝0.05，0.15，0.22m）溫度分布Figure 7 Temperature distribution at 0，2，5sin section of condenser（y＝0.05，0.15，0.22m）with three inlets

2.3 討論

通過單面進(jìn)風(fēng)、雙面進(jìn)風(fēng)的模擬試驗(yàn)分析，進(jìn)風(fēng)速度在水平方向逐漸衰減，發(fā)現(xiàn)可以適當(dāng)增加進(jìn)風(fēng)口氣流組織的速度，從而縮短冷凝器內(nèi)腔整體溫度達(dá)到均勻狀態(tài)的時(shí)間。

單向進(jìn)風(fēng)時(shí)，冷凝器內(nèi)腔部分會(huì)出現(xiàn)吹風(fēng)死角，貼近管壁和壁面地方出現(xiàn)較多數(shù)量的渦流，雙向進(jìn)風(fēng)與單向進(jìn)風(fēng)相比，可以降低因熱流擾動(dòng)引起的渦流數(shù)量以及強(qiáng)度。

水平吹入冷空氣，冷凝器高度方向氣流組織在長(zhǎng)度方向呈對(duì)稱分布，考慮可以改變進(jìn)風(fēng)面積的大小以及進(jìn)風(fēng)角度來(lái)提高內(nèi)腔氣流場(chǎng)分布均勻性。

三面進(jìn)風(fēng)冷凝器在工作初始階段降溫效果較好，可以通過調(diào)節(jié)頂部與底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度，來(lái)進(jìn)一步提高冷凝器換熱效果。

鑒于在本研究中對(duì)物理模型進(jìn)行了合理性假設(shè)，以及設(shè)定了一系列不同的邊界條件，計(jì)算模擬與實(shí)際測(cè)試存在一定的誤差，在以后的非穩(wěn)態(tài)模擬中，有必要進(jìn)一步細(xì)化模型，延長(zhǎng)模擬計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，得出不同風(fēng)向作用下，冷凝器內(nèi)腔溫度場(chǎng)以及氣流場(chǎng)達(dá)到均勻時(shí)的情況。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用CFD技術(shù)模擬了不同風(fēng)向?qū)φ舭l(fā)式冷凝器內(nèi)腔溫度場(chǎng)以及流場(chǎng)分布情況，分析對(duì)比3種不同風(fēng)向模擬情況，得出了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）單面進(jìn)風(fēng)時(shí)，冷凝器內(nèi)腔下部靠近進(jìn)風(fēng)口處空氣溫度下降較快，冷氣流水平侵入冷凝器底部，在密度差作用下逐漸上升與內(nèi)腔冷凝盤管進(jìn)行換熱；

（2）與單面進(jìn)風(fēng)相比，雙面進(jìn)風(fēng)氣流組織在長(zhǎng)度方向上分布較為對(duì)稱，雙面進(jìn)風(fēng)能夠降低氣流因管壁和壁面處熱流擾動(dòng)引起的渦流的數(shù)量和強(qiáng)度；

（3）三面進(jìn)風(fēng)時(shí)，冷凝器的內(nèi)腔溫度在三股氣流共同作用下，先后經(jīng)歷一個(gè)先下降再上升的過程，貼近壁面處，有空氣流動(dòng)死角存在，部分點(diǎn)的局部溫度較高；

隨著CFD模擬技術(shù)在蒸發(fā)式冷凝器方面研究的深入，在以后的計(jì)算模擬中，可以嘗試在特定噴淋水密度的條件下，研究不同進(jìn)風(fēng)速度、進(jìn)風(fēng)角度以及進(jìn)風(fēng)面積對(duì)蒸發(fā)式冷凝器換熱效果的影響。

讓我來(lái)說(shuō)一下這個(gè)島。這里叫東極島，是這個(gè)國(guó)家最東面的一個(gè)島嶼，是這個(gè)陸地最遙遠(yuǎn)的一粒餅干屑，是這只公雞上最不起眼的一粒雞米花。太平洋的風(fēng)率先撲到我們島上，我的房子矗立在這個(gè)島東邊最平坦的泥土上。我的窗口比我的門大，和你們不同的是，我的窗永遠(yuǎn)打開，只有起風(fēng)的時(shí)候，我才關(guān)上；但你們的窗永遠(yuǎn)關(guān)著，只有起風(fēng)的時(shí)候，你們才打開。

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