直接空冷凝汽器空气侧流动换热问题的大涡模拟研究

【摘要】空冷凝汽器作为直接空冷系统的核心换热设备,其气侧流动换热性能直接影响着整个机组的效率。而体积庞大的扁平管束间的相互干扰使管束尾部形成复杂的流动结构,凝汽器气测空气热阻大换热量低,翅片管束间空气流量分配不均,空冷风机与A型凝汽器间的耦合效应等,所有影响因素相互耦合使得空冷系统具备复杂的非线性尺度效应。本文用大涡数值模拟(LES)方法对直接空冷凝汽器空气侧流动换热问题进行了研究。首先基于圆柱绕流,将大涡模拟结果与他人实验数据进行对比分析,验证了大涡模拟在绕流问题中是一种行之有效的湍流模型和数值方法。本文把大涡模拟方法运用到了直接空冷凝汽器气侧流动换热问题的研究中,通过与他人雷诺时均结果的比较,表明大涡模拟能够捕获更多凝汽器流动换热的细节及相关湍流统计信息,能有效预测翅片管后复杂的旋涡运动,为进一步研究空冷凝汽器气侧流动结构与流动换热间所隐含的相互作用及热质传递规律提供理论基础。对不带翅片的扁平管固有的三维流动结构及换热特性进行了大涡模拟研究。计算结果表明,与圆管相比,扁平管的回流区长度、阻力系数都远小于圆管,体现了扁平管在空冷凝汽器应用中的优势。当扁平管长宽比L/D减小时,其具有较小的回流区、较快的旋涡脱落频率、良好的换热特性以及较小的阻力。研究了翅片扁平管束的相互干扰对流动换热的影响,结果表明,当考虑相邻翅片管的干扰时,与单翅片管相比,其边界层分离点、回流区范围、旋涡脱落模式、流动结构及换热特性明显不同。对双翅片管而言,两个翅片扁管尾部的旋涡脱落模式存在明显的相位关系,在扁平管间距为H/D=1.95,Re=4006时,每个扁平管尾部保持各自的流动形态,相互干扰影响较小,当雷诺数增大时非线性相互干扰明显增强。对于单翅片扁管因不受干扰,其两侧翅片的局部努赛尔数分布基本相同。当考虑相邻翅片管干扰时,其两侧翅片表面的局部努赛尔数呈现不同的变化趋势。雷诺数越高,不同翅片表面的局部努赛尔数差距越明显,并且在相同雷诺数下,单翅片管翅片表面的局部努赛尔数明显低于双翅片管,说明相邻翅片扁管尾部的相互干扰引发的二次频率对流动换热有增强的效果,所以在空冷凝汽器的设计中应充分考虑管束之间的相互干扰对流动换热的影响。对冲压三角形涡流发生器翅片通道的流动换热特性进行了大涡模拟研究。结果表明,与光滑的翅片通道相比,加装涡流发生器后,在计算雷诺数范围内,气侧平均努赛尔数Nu增加了约49.68%-54.14%,平均摩擦系数增加了约35.63%-37.35%,与他人实验关联式结果基本吻合。同时对纵向涡的强化传热机理进行了分析,近壁湍流的下扫过程利于换热。在翅片通道中分别布置梯形翼及斜截半椭圆柱面涡流发生器,对其流动换热机理进行了研究。计算结果表明,因斜截半椭圆柱面涡流发生器产生的端部涡和马蹄涡的综合作用,比梯形翼在强化传热方面具有优势。对于梯形翼来讲其下扫过程和上扬过程贡献的雷诺应力基本相同,基于x-y平面的象限分析手段,其雷诺应力分布在第Ⅱ象限和第Ⅳ象限；而斜截半椭圆柱面以上扬过程贡献的雷诺应力为主,其雷诺应力主要分布在第Ⅱ象限。当雷诺应力位于第Ⅳ象限,即下扫过程时,壁面往往具有较大的阻力,而斜截半椭圆柱面涡流发生器的雷诺应力大部分出现在第Ⅱ象限,所以其对壁面产生的阻力较小,揭示了其减阻的机理。基于湍流拟序结构理论,斜截半椭圆柱面涡发生器可同时实现强化传热和流动减阻。对不同波幅比上波长a0/λ=0.01、0.02、0.04、0.06的波纹翅片的流动换热进行大涡模拟研究。计算结果表明,当波纹翅片的波幅较小时,在波谷位置没有回流现象。当波幅为α0/λ＝0.04时出现回流区,随着波幅的增大其回流区范围也在增大。当波幅较大时波纹面上的涡结构增加,并且在展向出现较多不等间距的高速和低速条带结构。不论是在波谷还是在波峰处,脉动速度都是随着波幅的增大而增大。在波纹的迎风侧其换热和剪切力较大,并出现斑块。当α0/λ=0.06时,其具有良好的换热性能和较大的阻力,其综合性能最优。实现了空冷风机与A型凝汽器的整机耦合计算,获得空冷单元内部较为真实的流场分布。计算结果表明,其内部流场分布极不均匀,导致凝汽器出口的温度分布也不均匀,同一出口面上,风机叶片迎风的一侧速度大温度较低,而背风的一侧速度小温度高。环境温度在250K～310K的范围变化时,凝汽器平均进口风速的变化范围不超过10%,并且凝汽器左右两侧的速度分布及大小并不完全相同,两侧相差2.9%左右。凝汽器两侧风量的偏差,导致即使在无环境风的条件下,凝汽器蒸汽管道顶端速度和温度不对称,出现偏置现象。
【作者】温娟；
【导师】唐大伟；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），工程热物理，2014，博士
【关键词】直接空冷凝汽器；扁平管；翅片管束；大涡模拟；涡流发生器；流动换热；

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