基于Fluent软件的换热器引风筒仿真优化设计

2017-08-11李海霞侯艇梅艳阳

科学家 2017年13期

关键词：模拟换热器流场

李海霞+侯艇+梅艳阳

1.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454150

2.新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453000

摘要基于Fluent软件，对换热器的引风筒进行建模，通过改变风筒结构以及安装导流片，模拟研究筒内风场分布，进而对原有结构进行优化。结果表明，改进后的引风筒结构，内部冷却空气分布均匀，较大提高了换热器的冷却能力。

关键词换热器；Fluent 模拟；流场；导流片

中图分类号 TK12 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）13-0083-01

换热器是电厂、机械、动力等众多领域中必不可少的、保证汽轮机等大型转动设备正常运行的重要设备，其性能的优劣有时能直接影响整个系统能否正常工作，换热器安全稳定的运行是系统其他设备安全运行的保障。为了使换热器换热效果更好，较多的风冷换热器使用引风筒，引风筒作为引导气体均匀的吹向换热器的关键元件，其出口风量分布的均匀性在很大程度上影响换热器的换热效果，引风筒设计不当，会造成换热器空气流道大面积的死区以及流体流动的不均匀性，故引风筒的设计尤为重要。对此，本文利用Fluent商业软件对引风筒模型结构参数进行优化，为引风筒设计提供参考。

1 研究对象

引风筒的结构初步设计如图1，冷却空气从气囊里流出，经过直管后，然后通过90°变径引气风筒后，流入换热器中参与换热。

2 网格划分及数值计算方法

引风筒仿真分析遇到最大的困难，是如何在保证不影响仿真效果的前提下简化模型。经过反复模拟分析与理论计算结果比较发现，把引风筒简化为一定比例的网格体，能很好地模拟引风筒的流场情况。

在满足计算精度的基础上，为了减少整个引风筒网格数量，提高计算速度，网格划分采用了分區域划分的方法。采用了四面体网格和非结构化四面体网格相结合进行划分，对引风入口进行了局部加密。网格总数为516 662。图2为引风筒初步结构模型。入口边界条件是表压为5 000Pa的压头，出口为大气压力（即表压为0），离散化采用有限体积法，压力-速度耦合方程采用了SIMPLE算法求解，控制方程的离散采用一阶迎风格式，对于壁面采用标准壁面函数。流场的计算采用的粘性模型为RNG k-ε湍流模型。

3 模拟结果分析与结构改进

3.1 模拟结果分析

通过计算机模拟计算，得出其流动迹线图，如图3所示：

模拟结果表明，由直管进入引气风筒的环境大气，在换热器的迎风面（即引风筒的出风面）上的分布很不均匀。这主要是因为引风筒下方有一较大折弯，产生了很大流动阻力和流动死区，影响了气流分配的均匀性，从而影响换热器的换热效率。因此，需对引风筒结构进行改进。

3.2 结构改进

1）改进一。将引风筒下部的弯管变为直管段。改进后结构模型及其内部引风模拟流动迹线如图4所示。

从模拟图中可以看出，将引气风筒的弯管改为直管后，流体在下部形成的涡流有所减小，流体分配均匀性有所改进，但引风筒出口风量分布仍旧不均匀。因此，考虑增加翼型导流片，来使引气风筒的流体分配均匀。

2）改进二。在改进一的基础上，在引风筒内部增加不同数量的导流片，使冷却风在直管出口处被强行分布。本文分别模拟3个和4个导流片作用下的引风筒内部流场分布，导流片安装位置如图5所示。

模拟结果见图6。图6表明，加入导流片后，流体流动的均匀性有了很大提高，但在安装3个导流片情况下，引风筒下部仍存在死区；当导流片增加到4个，流体流动更加均匀。这表明，导流片的数量以及安装位置对筒内流场分布具有很大影响。

4 结论

为了使流体流动均匀，将引风筒初步结构的弯曲管道换成直管段，并且在引气风筒中添加导流片来引导冷却空气的流动，经过数次改进与模拟，最终确定了导流片的数量、安装位置。模拟结果表明：改进后的引风筒结构，内部冷却空气分布均匀，较大提高了换热器的冷却能力。

参考文献