謝潔飛，張 宇，羅武生，尹 點(diǎn)

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

空氣——空氣冷卻器（簡(jiǎn)稱空——空冷卻器）是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中常用的一種關(guān)鍵設(shè)備，是利用環(huán)境空氣冷卻發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的熱循環(huán)空氣，從而起到降低發(fā)電機(jī)組內(nèi)部溫度，提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壽命的作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征的不同，空——空冷卻器可以分為管式、板式、擴(kuò)展表面式、以及再生式換熱器等四類。其中，板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、對(duì)數(shù)平均溫差大、占地面積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、制冷空調(diào)、電力等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。本文主要采用SolidworksFlowSimulation插件，對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用鋁箔片平板式空——空冷卻器性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析冷熱空氣介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流動(dòng)速度、溫度、壓力及其流動(dòng)軌跡的流場(chǎng)分布，從而為該換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論分析基礎(chǔ)。

1 冷熱空氣流動(dòng)控制方程與湍流模型

1.1 流動(dòng)控制方程

換熱器冷熱空氣流體內(nèi)部流動(dòng)屬于一種三維、粘性、非定常湍流流動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合納維——斯托克斯控制方程，包括：

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式（1）~（4）中：u=ui+vj+wk；u、v、w分別為流速在 x、y、z坐標(biāo)方向的分量；ρ為流體密度；μ為流體動(dòng)力密度；P為流體壓力；Su、Sν、Sw為流體源在 x、y、z坐標(biāo)方向的分量；Cp為比熱容；T為溫度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；ST為粘性耗散項(xiàng)。

1.2 氣體湍流模型

空——空冷卻器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)為紊流，求解冷熱空氣流動(dòng)控制方程非常困難，工程上主要采用時(shí)均方程加紊流模型的求解方法進(jìn)行求解。若不考慮用戶自定義的源項(xiàng)，則常用的標(biāo)準(zhǔn)兩方程k-ε紊流模型可以分別表示為：

紊動(dòng)能方程：

紊動(dòng)耗散率方程：

2 三維模型與網(wǎng)格劃分

空——空冷卻器主要是采用四個(gè)結(jié)構(gòu)形式和尺寸都完全相同的換熱機(jī)芯并聯(lián)組合而成，每個(gè)換熱機(jī)芯都是通過(guò)特殊工藝將多個(gè)很薄的鋁箔片疊加而成的一種板片式換熱器。相鄰兩片鋁箔片邊緣折疊形成1個(gè)換熱流道，每片鋁箔片兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)室內(nèi)循環(huán)、室外循環(huán)氣流流道，且內(nèi)外循環(huán)氣流完全分開(kāi)。室內(nèi)和室外循環(huán)空氣氣流分別經(jīng)過(guò)內(nèi)外循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓，輸送至換熱機(jī)芯，以90度交叉方式通過(guò)換熱機(jī)芯流道，并經(jīng)由鋁箔片進(jìn)行熱量交換，溫度由較高的內(nèi)循環(huán)一側(cè)傳遞到較冷的外循環(huán)一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)將內(nèi)循環(huán)熱量帶走，起到冷卻內(nèi)循環(huán)的目的。

圖1 換熱機(jī)芯三維模型

根據(jù)鋁箔片平板式空空冷卻器的設(shè)計(jì)要求，采用Soli dworks軟件建立了該冷卻器一組兩個(gè)相鄰換熱機(jī)芯的三維模型，如圖1所示。

Solid works Flow Simulation采用自適應(yīng)直角坐標(biāo)網(wǎng)格方法進(jìn)行三維實(shí)體網(wǎng)格劃分，控制方程采用Navier-Stokes方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式。在Solid works Flow Simulation中對(duì)三維模型進(jìn)行自適應(yīng)直角網(wǎng)格劃分，得到流體區(qū)域網(wǎng)格單元53614個(gè)、固體區(qū)域網(wǎng)格單元744個(gè)，部分網(wǎng)格單元339262個(gè)，總網(wǎng)格單元共計(jì)393620個(gè)。

3 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件

在冷卻器冷熱空氣流體流動(dòng)控制方程中，動(dòng)力方程為壓力速度耦合方程，主要采用計(jì)算效率比較高的標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE方法求解，湍流模型方程主要采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散求解，代數(shù)方程迭代計(jì)算采用亞松弛進(jìn)行。

在Solid works Flow Simulation模塊中建立空空冷卻器換熱機(jī)芯數(shù)值分析模型。首先指定熱空氣流體子域?yàn)閮?nèi)循環(huán)通道，冷空氣流體子域?yàn)橥庋h(huán)通道，設(shè)置換熱板片材料為鋁箔片材料3A21，其它默認(rèn)。其次，假設(shè)空空冷卻器內(nèi)循環(huán)通道進(jìn)口的熱空氣溫度為75℃，進(jìn)口流量為14000m3/h，內(nèi)循環(huán)熱空氣出口壓力設(shè)置為靜壓條件，其它設(shè)置為默認(rèn)；外循環(huán)通道進(jìn)口的冷空氣溫度設(shè)置為38℃，進(jìn)口流量設(shè)置為2200m3/h，其它設(shè)置為默認(rèn)。最后分別設(shè)置熱空氣和冷空氣出口平均溫度為收斂目標(biāo)后運(yùn)行求解。

4 數(shù)值模擬與分析

4.1 溫度場(chǎng)分布圖

數(shù)值模擬計(jì)算后得到溫度場(chǎng)三維分布如圖2和圖3所示，從圖2和圖3中的流動(dòng)跡線可以清楚地看出冷熱空氣在數(shù)值模擬過(guò)程中溫度的變化情況。其中，圖2表示內(nèi)循環(huán)通道內(nèi)熱空氣溫度的分布圖，代表溫度的顏色由紅色逐漸變?yōu)樯钏{(lán)色，說(shuō)明熱空氣被逐漸降溫，溫度從75℃逐漸降到53.98℃；圖3表示外循環(huán)通道內(nèi)冷空氣溫度分布圖，代表溫度的顏色由深藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色，說(shuō)明冷空氣被逐漸加熱，溫度從38℃逐漸上升到48.55℃。

圖2 熱空氣溫度變化分布圖

圖3 冷空氣溫度變化分布圖

4.2 壓力場(chǎng)分布

數(shù)值模擬計(jì)算后得到壓力場(chǎng)三維分布如圖4和圖5所示，從圖4和圖5中的流動(dòng)跡線可以清楚地看出冷熱空氣在數(shù)值模擬過(guò)程中壓力的變化情況，內(nèi)循環(huán)通道內(nèi)熱空氣壓力與外循環(huán)通道內(nèi)冷空氣壓力都存在不同程度的降低，熱空氣壓力降900Pa左右，冷空氣壓力降550Pa左右，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖4 熱空氣壓力變化分布圖

圖5 冷空氣壓力變化分布圖

4.3 速度矢量場(chǎng)分布

數(shù)值模擬計(jì)算后得到速度矢量場(chǎng)三維分布圖如圖6和圖7所示。從圖6中可以看出熱空氣進(jìn)入內(nèi)循環(huán)通道后速度逐漸增加，在通道中間達(dá)到最大，然后再逐漸慢慢下降，直至出口處降到最低。從圖7中可以看出冷空氣在外循環(huán)同一通道內(nèi)速度變化不是很大，但外循環(huán)不同通道內(nèi)速度變化較大，表明單個(gè)換熱機(jī)芯中外循環(huán)不同通道內(nèi)冷空氣流量分布不均勻。模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖6 熱空氣速度矢量分布圖

圖7 冷空氣速度矢量分布圖

5 性能預(yù)測(cè)

5.1 換熱功率

空——空冷卻器換熱功率可通過(guò)式8或式9計(jì)算。

式中：cρh、cρc分別為熱空氣與冷空氣的平均比熱容，kJ/（m2·℃）；T1、T2分別為熱空氣進(jìn)口與出口溫度，℃；t1、t2分別為冷空氣進(jìn)口與出口溫度，℃；Vh、Vc分別為熱空氣與冷空氣的體積流量，m3/h；ρh、ρc分別為熱空氣與冷空氣的平均密度，kg/m3。

在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣溫度為50~75℃時(shí)，空氣平均比熱容為1.017kJ/（m2·℃），平均密度為1.014kg/m3，內(nèi)循環(huán)熱空氣體積流量為14000m3/h，熱空氣進(jìn)口溫度為75℃，熱空氣出口溫度為53.98℃。將以上參數(shù)代入式（8）可得出空空冷卻器換熱功率為88.23kW，符合設(shè)計(jì)基本要求。

5.2 總傳熱系數(shù)

空——空冷卻器總傳熱系數(shù)可通過(guò)式10計(jì)算。

式中：K為總傳熱系數(shù)；Δt1為外循環(huán)冷空氣進(jìn)出口溫度差，℃；Δt2為內(nèi)循環(huán)熱空氣進(jìn)出口溫度差，℃；S為有效換熱面積，m2；P為冷空氣溫升與冷熱空氣最初溫度差的比值；R為熱空氣溫降與冷空氣溫升的比值；f（P，R）為冷熱空氣相互錯(cuò)流溫差矯正系數(shù)。

空——空冷卻器每組兩個(gè)換熱機(jī)芯由88片鋁箔片構(gòu)成，有效換熱面面積為123.84m2；外循環(huán)冷空氣進(jìn)出口溫升10.55℃；內(nèi)循環(huán)熱空氣溫降22.02℃；冷空氣溫升與冷熱空氣最初溫度差的比值為0.28；熱空氣溫降與冷空氣溫升的比值為2.08；冷熱空氣相互錯(cuò)流溫差矯正系數(shù)為0.97。將以上參數(shù)代入式（10）可得出空——空冷卻器總傳熱系數(shù)為47。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）以Solid works Flow Simulation為數(shù)值模擬計(jì)算平臺(tái)，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)某一空空冷卻器額定工況下的內(nèi)部流動(dòng)與傳熱狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別得出了內(nèi)外循環(huán)通道內(nèi)空氣介質(zhì)的壓力、速度、溫度等分布。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，揭示了空空冷卻器內(nèi)部流動(dòng)與傳熱規(guī)律，表明采用SolidworksFlowSimulation插件數(shù)值模擬空空冷卻器內(nèi)部流動(dòng)與傳熱狀態(tài)實(shí)用、方便、快捷。

（2）在數(shù)值模擬空空冷卻器內(nèi)部流動(dòng)和傳熱狀態(tài)的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了空空冷卻器的換熱功率和總傳熱系數(shù)，與物理模型試驗(yàn)結(jié)果比較接近。這就表明，基于三維雷諾時(shí)均的納維斯托克斯方程和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型方程預(yù)測(cè)空空冷卻器流動(dòng)與傳熱性能具有很高的計(jì)算精度，能夠?yàn)榭湛绽鋮s器結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，在實(shí)際工程中具有應(yīng)用價(jià)值。

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