扰流孔及翅片间距对直接空冷蛇形翅片管流动与换热的影响

贺晓怡，阴继翔，王 涛，马素霞



扰流孔及翅片间距对直接空冷蛇形翅片管流动与换热的影响

贺晓怡，阴继翔，王 涛，马素霞

（太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原 030024）

在传统直接空冷单排蛇形翅片扁平管上增设扰流孔以强化换热。本文应用Fluent软件对 有、无扰流孔的2种蛇形翅片扁平管（蛇形翅片管）模型进行三维数值模拟，研究了1.4、2.2、3.0、3.8 m/s 4种迎面风速下不同翅片间距对有、无扰流孔的2种型式翅片管换热、阻力以及综合性能的影响。结果表明：与未开孔的蛇形翅片管相比，增设扰流孔的蛇形翅片管在各种翅片间距、迎面风速下使空气侧的换热系数提高1%～18%，且流动阻力略微减小；在较小的迎面风速范围内，增设扰流孔可以使相同工况下的最佳翅片间距减小。

直接空冷；蛇形翅片管；扰流孔；翅片间距；换热系数；流动阻力；数值模拟

直接空冷系统广泛应用于我国富煤缺水地区的火力发电机组中[1-3]，其核心部件是翅片管束结构的空冷凝汽器。20世纪70年代至今，直接空冷凝汽器所采用的翅片管经历了4排等管径连续翅片结构、双排椭圆管矩形翅片结构、3排椭圆管椭圆形翅片结构及单排扁管蛇形翅片结构4个阶段[4]。其中，单排蛇形翅片扁平管因其具有换热面积大、流动阻力小、防冻性能好、传热系数高等诸多优点而成为直接空冷换热元件的主要结构形式[5-6]。

针对直接空冷单排蛇形翅片扁平管空气侧的换热与流动性能，已有很多学者进行了研究。文献[7-8]分别通过数值模拟和风洞实验的方法研究了迎面风速对蛇形翅片扁平管（蛇形翅片管）换热系数的影响，结果表明气侧换热系数随迎面风速的增大而逐渐增大。申微波[9]研究了蛇形翅片的厚度对翅片管换热系数与流动阻力的影响，发现不同迎面风速下翅片管的对流换热系数与流动阻力均随翅片厚度的增加而增大。马荣荣[10]研究发现，蛇形翅片管的换热系数与流动阻力随着翅片间距的的增大而减小。侯雪梅[11]模拟研究了蛇形翅片管扰流孔距对换热系数的影响，发现在一定范围内，换热系数随扰流孔间距的减小而增大，但在超过一定界限后，换热系数无明显提高。文献[12-13]研究发现，在矩形翅片上加设扰流孔后翅片管的换热性能得到提高。

综上，开孔翅片可以提高翅片管的换热性能，但针对直接空冷蛇形翅片管的研究主要集中在迎面风速与蛇形翅片尺寸上，对于蛇形翅片上增设扰流孔强化换热的文献较少。本文建立了相同结构尺寸下有、无扰流孔的2种翅片管数值模型，通过应用Fluent软件研究了1.55、1.85、2.15、2.45、2.75、3.05、3.35 mm 7个翅片间距的蛇形翅片管在4种迎面风速下的换热、流动阻力以及综合性能，相关结论可为蛇形翅片管的研究及选择提供参考依据。

1 几何模型及区域网格化

图1为实际工程中采用的蛇形翅片管。为便于建模，将蛇形翅片简化为矩形翅片。由于蛇形翅片的几何形状与流动换热皆具有对称性，选择翅片单元（一个“Z”形的翅片与翅片两侧的各一半流动空间）为研究对象，计算区域如图2所示。

为防止入口效应和出口回流的影响，分别在进、出口区域设置长度为50 mm和400 mm的延长区。扁平管采用钢管，管外钎焊铝合金蛇形翅片。扁平管长轴为=219 mm，短轴为=19 mm，壁厚为=1.5 mm；翅片的长度为=200 mm，高度为=19 mm，厚度为=0.3 mm，间距为；位于翅高中心处的扰流孔个数为=15，孔径为=3 mm。

使用Gambit软件生成计算域网格。为了便于划分网格并获得高质量的网格，对计算域进行了分块处理。进口区域与出口区域结构简单，使用结构化网格。翅片换热区域速度变化剧烈，采用给壁面附近和开孔处及其周围加密的方法。开孔处使用非结构化网格，其余部分采用结构化、非均匀的六面体网格。翅片的局部区域网格结构如图3所示。

2 控制方程与边界条件

本文的模拟计算基于以下假设：1）流体为不可压缩的常物性空气；2）不考虑翅片与基管间的接触热阻；3）不考虑翅片管的自然对流与辐射换热；4）扁平管内壁面温度恒定；5）流体在管外翅片间的流动为稳态。

控制方程[14]如下：

动量方程：

式中：u为流体在X方向上的速度；、=1,2,3，分别代表、、方向；为流体密度；为流体微元上的静压力。

流体进口面为速度进口，界面上速度及温度均匀。出口为压力边界条件，无回流发生。扁平管内壁面设为等温壁面，外壁面与翅片表面均为耦合面，其他表面设置为对称边界条件。

选择适用于求解不可压缩流体流动计算的压力求解器。其中，速度与压力耦合采用Simple算法，对流项的离散采用Power Law格式。

3 模型验证

3.1 网格无关性验证

数值模拟作为一种近似求解方法，其网格数目直接影响计算结果精度。为了选取合适的网格 数目，须先进行网格无关性检验。以翅片间距 2.75 mm、迎面风速2.2 m/s工况下的开孔蛇形翅片管为例，采用6种网格数目对开孔蛇形翅片管的数值模型进行计算，结果如图4所示。由图4可知，网格数为1 186 752与1 325 454时换热系数的相对误差为0.1%，这表明选取网格数约为118万的模型进行后续模拟计算较为合理。

3.2 算法验证

为了验证本文算法及模型的合理性与有效性，使用文献[14]中扁平管蛇形翅片模型进行模拟计算，得到传热系数与流动阻力的变化关系。图5为本文模拟结果与文献[14]的比较。由图5可知，模拟值与文献[14]数据相比误差较小，传热系数与流动阻力的最大误差为2.94%和7.80%。该误差在可接受范围内，验证了本文算法及模型的正确性。

4 计算结果分析

本文数据处理的相关参数定义[15]如下：

式中，m为空气定性温度，in、out分别为计算域进、出口空气温度，Δ、e、、m、分别为进出口压差、翅片管当量直径、空气密度、翅片管最小截面处流速、翅片沿空气流动方向的长度（取0.2 m），、、分别为努塞尔数、雷诺数和普朗特数。

4.1 速度场

图6为迎面风速=1.4 m/s时有、无扰流孔的翅片管翅片间距中心截面的速度分布。空气由左端进入，流动至扁管时流速逐渐增大。当空气流经翅片通道时其流速达到最大值。翅片间空气的平均流速为进口迎面风速的1.6~1.8倍。随着翅片间距的增加，流速提高的倍数越小。对比图6b)、d)可见，在翅片间距较大时翅片间空气流速更小。产生此现象的原因在于，与进口处相比，翅片区域的流动截面积减小。随着翅片间距的增大，翅片厚度不变，翅片厚度截面在整个计算域截面上所占比例逐渐变小，而流通截面面积所占比例越来越大，速度提高的比例也因此越来越小。

从图6中还可以看出：空气在进入翅片通道前，有、无扰流孔2种翅片通道内的流动状况基本相同；当空气流经翅片开孔处，流动空间瞬间增大，流速明显减小，空气在流动过程中受到扰动，且阻碍了边界层的持续发展，不过扰流孔对边界层的影响仅局限于翅片高度方向上的中心部分；在扰流孔翅片间的流动中，翅片根部与顶部的空气流速未受到影响；在同一迎面风速下，翅片间距增大，扰流孔对翅片间空气流动的影响减弱；在翅片间距为3.35 mm的流道中剖面的速度分布基本没有受到孔的扰动，因此，随着翅片间距的增加，扰动减小，换热强化效果减弱。

图7为翅片间距=1.55、2.45 mm时有、无扰流孔翅片管在翅片高度9.5 mm处横截面的速度场。由图7可见：边界层变化明显，平直蛇形翅片管的流道内速度分布相同、流动均匀；由于扰流孔的存在，翅片截面被间断，在间断处，空气流动明显受到扰流孔的影响，边界层经历了不断地断裂和形成，从而增强了换热。

图7 不同翅片间距时翅片高度9.5 mm处横截面速度分布

Fig.7 The velocity distribution in cross section with fin height of 9.5 mm under conditions with different fin pitches

4.2 换热性能

不同迎面风速下换热系数随翅片间距的变化关系如图8所示。

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

由图8可见：在不同迎面风速下，翅片管换热系数的变化趋势一致；翅片管的换热系数随着翅片间距的增加、迎面风速的减小而减小；在所计算的迎面风速与翅片间距下，带扰流孔的翅片管的换热系数均大于无扰流孔的翅片管，换热系数提升1%~18%；扰流孔对换热系数的提高程度与翅片间距、迎面风速有关，在较小的迎面风速与翅片间距范围内，增设扰流孔对换热系数的提高更为显著。

4.3 流动阻力

4种迎面风速下有、无扰流孔2种类型翅片管的阻力系数随翅片间距的变化关系如图9所示。由图9可见，有、无扰流孔2种翅片管的阻力系数随着迎面风速与翅片间距的增大而减小，减小的趋势逐渐变缓。对比各工况下2种翅片管的流动性能发现，扰流孔对阻力系数的影响随着翅片间距的增大逐渐减小，直至影响基本消失。

4.4 综合性能

换热能力的提高通常是以阻力损失的增大为代价，为此需要对换热技术进行综合性能评估。本文以/[9]作为综合性能的评价指标，考察翅片管的综合性能。该值越大，在相同泵功下完成同样的换热量所需的迎风面积越小。图10为有、无扰流孔翅片管在不同迎面风速下/随翅片间距的变化。由图10可见：除小迎面风速（=1.4 m/s）外，其他迎面风速下随着翅片间距的增大，/呈先增大后减小趋势，且翅片间距较小时更为明显；迎面风速越大，/变化趋势变缓，最佳翅片间距随着迎面风速的增加而减小。对于2种蛇形翅片管，不同迎面风速下的最佳综合换热结构也不尽相同。按迎面风速由小至大排序，无孔翅片管的最佳翅片间距依次为3.35、3.05、2.75、2.45 mm，开孔翅片管的最佳翅片间距依次为3.05、2.75、2.75、2.45 mm。这表明，在迎面风速较小时增设扰流孔可以减小翅片间距，从而使得翅片换热结构更为紧凑。

5 结 论

1）翅片间空气流速为进口迎面风速的1.6~ 1.8倍。翅片间距越小，翅片区域的风速提高的倍数越大，这是导致翅片间距较小时取得较高换热系数的原因之一。

2）增设扰流孔后翅片管的换热系数提高了1%~18%，且提高的程度随着翅片间距与迎面风速的增大而逐渐减弱；扰流孔对翅片管阻力性能的影响甚微。可见，对于较小的迎面风速和翅片间距，可以在不增加能耗的条件下改善翅片管换热性能。

3）随着翅片间距的增加，4种翅片管的综合性能系数先增大后减小（1.4 m/s除外）。当迎面风速较小时，增设扰流孔使得最佳翅片间距减小，单位容积内可以布置较多翅片使得换热器结构更为紧凑。

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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)

贺晓怡(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向为对流换热强化技术，1522066082@qq.com。

K26

A

10.19666/j.rlfd.201805152

贺晓怡, 阴继翔, 王涛, 等. 扰流孔及翅片间距对直接空冷蛇形翅片管流动与换热的影响[J]. 热力发电, 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

山西省科技重大专项(MD2016-02)；国家自然科学基金项目(51476108)

阴继翔(1964—)，女，副教授，硕士生导师，yinjixiang@tyut.edu.cn。

（责任编辑 刘永强）