基于Fluent軟件的換熱器引風(fēng)筒仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

李海霞+侯艇+梅艷陽(yáng)

1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作 454150

2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000

摘 要 基于Fluent軟件，對(duì)換熱器的引風(fēng)筒進(jìn)行建模，通過(guò)改變風(fēng)筒結(jié)構(gòu)以及安裝導(dǎo)流片，模擬研究筒內(nèi)風(fēng)場(chǎng)分布，進(jìn)而對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，改進(jìn)后的引風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部冷卻空氣分布均勻，較大提高了換熱器的冷卻能力。

關(guān)鍵詞 換熱器；Fluent 模擬；流場(chǎng)；導(dǎo)流片

中圖分類(lèi)號(hào) TK12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）13-0083-01

換熱器是電廠(chǎng)、機(jī)械、動(dòng)力等眾多領(lǐng)域中必不可少的、保證汽輪機(jī)等大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備正常運(yùn)行的重要設(shè)備，其性能的優(yōu)劣有時(shí)能直接影響整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作，換熱器安全穩(wěn)定的運(yùn)行是系統(tǒng)其他設(shè)備安全運(yùn)行的保障。為了使換熱器換熱效果更好，較多的風(fēng)冷換熱器使用引風(fēng)筒，引風(fēng)筒作為引導(dǎo)氣體均勻的吹向換熱器的關(guān)鍵元件，其出口風(fēng)量分布的均勻性在很大程度上影響換熱器的換熱效果，引風(fēng)筒設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成換熱器空氣流道大面積的死區(qū)以及流體流動(dòng)的不均勻性，故引風(fēng)筒的設(shè)計(jì)尤為重要。對(duì)此，本文利用Fluent商業(yè)軟件對(duì)引風(fēng)筒模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為引風(fēng)筒設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象

引風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)如圖1，冷卻空氣從氣囊里流出，經(jīng)過(guò)直管后，然后通過(guò)90°變徑引氣風(fēng)筒后，流入換熱器中參與換熱。

2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算方法

引風(fēng)筒仿真分析遇到最大的困難，是如何在保證不影響仿真效果的前提下簡(jiǎn)化模型。經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬分析與理論計(jì)算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，把引風(fēng)筒簡(jiǎn)化為一定比例的網(wǎng)格體，能很好地模擬引風(fēng)筒的流場(chǎng)情況。

在滿(mǎn)足計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，為了減少整個(gè)引風(fēng)筒網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算速度，網(wǎng)格劃分采用了分區(qū)域劃分的方法。采用了四面體網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格相結(jié)合進(jìn)行劃分，對(duì)引風(fēng)入口進(jìn)行了局部加密。網(wǎng)格總數(shù)為516 662。圖2為引風(fēng)筒初步結(jié)構(gòu)模型。入口邊界條件是表壓為5 000Pa的壓頭，出口為大氣壓力（即表壓為0），離散化采用有限體積法，壓力-速度耦合方程采用了SIMPLE算法求解，控制方程的離散采用一階迎風(fēng)格式，對(duì)于壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。流場(chǎng)的計(jì)算采用的粘性模型為RNG k-ε湍流模型。

3 模擬結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 模擬結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得出其流動(dòng)跡線(xiàn)圖，如圖3所示：

模擬結(jié)果表明，由直管進(jìn)入引氣風(fēng)筒的環(huán)境大氣，在換熱器的迎風(fēng)面（即引風(fēng)筒的出風(fēng)面）上的分布很不均勻。這主要是因?yàn)橐L(fēng)筒下方有一較大折彎，產(chǎn)生了很大流動(dòng)阻力和流動(dòng)死區(qū)，影響了氣流分配的均勻性，從而影響換熱器的換熱效率。因此，需對(duì)引風(fēng)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）改進(jìn)一。將引風(fēng)筒下部的彎管變?yōu)橹惫芏巍８倪M(jìn)后結(jié)構(gòu)模型及其內(nèi)部引風(fēng)模擬流動(dòng)跡線(xiàn)如圖4所示。

從模擬圖中可以看出，將引氣風(fēng)筒的彎管改為直管后，流體在下部形成的渦流有所減小，流體分配均勻性有所改進(jìn)，但引風(fēng)筒出口風(fēng)量分布仍舊不均勻。因此，考慮增加翼型導(dǎo)流片，來(lái)使引氣風(fēng)筒的流體分配均勻。

2）改進(jìn)二。在改進(jìn)一的基礎(chǔ)上，在引風(fēng)筒內(nèi)部增加不同數(shù)量的導(dǎo)流片，使冷卻風(fēng)在直管出口處被強(qiáng)行分布。本文分別模擬3個(gè)和4個(gè)導(dǎo)流片作用下的引風(fēng)筒內(nèi)部流場(chǎng)分布，導(dǎo)流片安裝位置如圖5所示。

模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。圖6表明，加入導(dǎo)流片后，流體流動(dòng)的均勻性有了很大提高，但在安裝3個(gè)導(dǎo)流片情況下，引風(fēng)筒下部仍存在死區(qū)；當(dāng)導(dǎo)流片增加到4個(gè)，流體流動(dòng)更加均勻。這表明，導(dǎo)流片的數(shù)量以及安裝位置對(duì)筒內(nèi)流場(chǎng)分布具有很大影響。

4 結(jié)論

為了使流體流動(dòng)均勻，將引風(fēng)筒初步結(jié)構(gòu)的彎曲管道換成直管段，并且在引氣風(fēng)筒中添加導(dǎo)流片來(lái)引導(dǎo)冷卻空氣的流動(dòng)，經(jīng)過(guò)數(shù)次改進(jìn)與模擬，最終確定了導(dǎo)流片的數(shù)量、安裝位置。模擬結(jié)果表明：改進(jìn)后的引風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部冷卻空氣分布均勻，較大提高了換熱器的冷卻能力。

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