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CFD數(shù)值模擬，對3種冷卻器模型并聯(lián)冷卻管內(nèi)水流分配特性進行分析和對比，探究水流分配器對冷卻水流的分配作用，為提高冷卻器的使用性能，延長其使用壽命提供應(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：TV734 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：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，國家計委就將瀾滄江中游地區(qū)選為水電-有色金屬基地，列為國家19個重點開發(fā)區(qū)之一。瀾滄江流域在經(jīng)濟得到發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了水質(zhì)污染等環(huán)境問題[1]。近年來，該流域多個水電站發(fā)電機空氣冷卻器、油冷卻器相繼進入檢修更換階段，電廠檢修過程中發(fā)現(xiàn)，冷卻管入口處在水流長期沖刷下普遍存在管壁厚度不均、管板脹接處漏水問題，給冷卻器的使用性能及壽命帶來較大影響。

本文采用CFD軟件對3種結(jié)構(gòu)的冷卻器結(jié)構(gòu)模型進行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)水流分配器對冷卻器內(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入后，通過下水箱分別進入冷卻管中，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，通過對冷卻器下水箱結(jié)構(gòu)進行更改，改變水流進入冷卻管管口的方向，以此來達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，通過加裝水流分配器，改變冷卻水在水箱中的運動形態(tài)，改善各冷卻管內(nèi)水流分布，同時減少冷卻水對冷卻管口的沖刷腐蝕。圖4為模型幾何坐標圖。

2 ? ?數(shù)學(xué)模型

采用有限元方法對模型中流體的流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬，湍流模型運用k-ε 二方程模型，介質(zhì)服從質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律。工作流體為液態(tài)水，質(zhì)量守恒方程、動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。

動量守恒方程：

3 ? ?數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 ? ?速度矢量圖

通過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——進水口兩側(cè)會形成較大的漩渦，正對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——進水口兩側(cè)會形成漩渦（略小于圖5），正對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——進水口兩側(cè)無明顯漩渦，通過水流分配器后進入冷卻管內(nèi)的水速較均勻，冷卻管各入口處無極高水速情況。

（4）通過對比可以看出，圖3模型打散了進水口兩側(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)水速分布對比，如圖8所示。

結(jié)果分析：

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

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

（3）圖3模型——除編號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）通過對比可以看出，相比于圖1模型，圖2模型改善了編號6的冷卻管內(nèi)水速，但對編號4的冷卻管內(nèi)水速無改善效果，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模型對冷卻管內(nèi)水速分布均勻性改善效果明顯。

3.3 ? ?冷卻管進出水口壓力分布圖

通過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，并計算得出壓差比ΔP，對比如圖9所示。

結(jié)果分析：

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

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

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

（4）通過3種模型壓差比對比圖可以看出，相比于圖1模型，圖2模型改善了壓差分布，但是編號4的冷卻管存在惡化趨勢;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組配套冷卻器上的應(yīng)用

基于水流分配器對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電廠發(fā)電機空氣冷卻器中。自這些空氣冷卻器投運以來，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?？梢?，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

本文通過對冷卻器并聯(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，減少冷卻水對冷卻管入口的沖刷，可以延長冷卻器的使用壽命，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]

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

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

收稿日期：2021-10-28

作者簡介：高春林（1983—），男，安徽蚌埠人，工程師，從事水火電發(fā)電機組產(chǎn)品設(shè)計工作。