空气源热泵换热器沙尘冲蚀磨损模拟研究

2021-02-16马广兴孙煜光武振东杨伟杰

流体机械 2021年12期

马广兴，孙煜光，杜聪，武振东，杨伟杰

（1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051）

0 引言

在北方清洁供暖和燃煤散烧治理的背景下［1］，空气源热泵（ASHP）广泛应用于建筑供暖和生活热水［2］。空气源热泵运行能耗高低和使用寿命的长短直接影响清洁供暖和燃煤散烧治理的社会效益和环保效益。空气源热泵的室外换热器工作时会出现脏堵、结霜、磨损等现象，尤其在西北地区常年多风沙［3］，其换热器的表面磨损严重，导致空气源热泵的运行能耗增加，使用寿命减少。为了降低空气源热泵运行能耗，国内外学者对ASHP的脏堵、结霜问题进行了大量卓有成效的研究。AHN等［4］实测得知室外换热器的脏堵会使ASHP的换热能力下降10%～15%，阻力增加44%，COP衰减20%以上；姚杨等［5］通过搭建模拟室外工况的ASHP系统，研究了不同换热器堵塞面积下机组的动态性能变化趋势；梁媛媛等［6］发现当换热器翅片表面霜层厚度达到0.4 mm时，换热器的有效换热面积下降18%左右，换热效率下降17.42%～24.78%；WANG 等［7］的研究表明，霜层的大面积覆盖会使机组的COP降低35%～60%，同时还会引起误除霜等现象的发生，导致机组COP与换热效率下降，运行能耗增加。现有研究多为空气源热泵脏堵和结霜对运行能耗影响方面，空气源热泵室外换热器的磨损研究鲜有报道。冲蚀磨损是由于壁面的变形或破裂而从壁面去除材料的过程，长时间的冲蚀行为会导致换热器运行性能下降，缩短其使用寿命。在ASHP系统中，换热器冲蚀磨损是由气流中夹带的固体颗粒对翅片以及换热管表面的冲击行为所引起的。

本文以空气源热泵用平直管翅式换热器为研究对象，利用FLUENT计算软件，采用DPM Erosion计算模型，以气流速度、颗粒物粒径和浓度为输入参数，对平直管翅式换热器表面冲蚀磨损行为进行数值模拟研究，分析不同影响因素下平直管翅式换热器冲蚀磨损的分布规律，为延长空气源热泵换热器的使用寿命提供参考。

1 几何模型

1.1 模型建立

针对典型狭窄过流通道的平直管翅式换热器展开研究［8-13］，结果表明气体在通过管翅式换热器六排管束后的流态趋于稳定，因此，将平直管翅式换热器实体模型简化为一个6根平行叉排管束和相邻两叶翅片组成的进气单元模型，该模型换热管部分的边缘管束为半圆，中间管束为整圆，具有周期性，如图1所示。该模型可以表征空气源热泵换热器内气体流动规律。

1.2 计算域和网格

计算域分为3部分：入口段、管翅段和出口段。在换热器管翅段沿流体流动方向设置3个直径D为7.6 mm的圆形管道内孔，6个相同直径的半圆形管道边界孔，表示换热器中的换热管，换热管之间的纵向间距S1为9.5 mm，横向间距S2为10 mm。为满足入口段气流均匀且出口段没有回流，计算域入口段长为6D，出口段长为8D。

计算模型采用四面体网格，在每个换热管外圆周布置不少于380个节点，计算域中加入网格尺寸函数控制。初始网格间距设置为0.02 mm，最大间距为 0.1 mm［14］，增长因子为 1.3，最终划分网格数为103万，单元数为34万；同时对流体壁面进行了膨胀层的设定，使壁面附近边界层的Y PLUS值约等于1。以换热器换热管表面的平均冲蚀率为特征，进行了网格的无关性验证，测试了10～150万数目的计算网格，得出换热管表面平均冲蚀率与网格数量的关系，如图2所示。模拟结果表明，103万和150万数目的网格磨损变化率小于0.05%。因此，103万计算网格的模型数值解独立于网格。

图2 平均冲蚀磨损率与网格数量的关系Fig.2 Relationship between average erosion wear rate and number of grids

2 物理模型

假定流场中气固两相混合物为不可压缩的理想状态，在换热器受限空间流动的气固两相流固相粒子对换热器表面冲蚀和磨损的数值计算，涉及灰尘颗粒湍流模型和粒子冲蚀换热器表面的模型。

氢气吸入——氢气治疗的传统手段。氢气是小分子气体，最直接的使用方法是经呼吸道吸入，通过肺泡的换气作用可迅速经血液循环到达机体各个部位。因此，氢气吸入作为一种疾病治疗手段较早地出现在氢气医学领域。研究发现，吸入低浓度氢气能够改善脑、心脏、肺以及肠道等脏器的缺血再灌注损伤。在临床上，长期卧床的病人常常会出现机械通气肺损伤，主要由呼吸机的使用引起，如果通气中给予低浓度的氢气可以有效减少这种损伤并且能够改善气体交换。此外，吸入低浓度氢气还可以降低肿瘤化疗过程中的副作用，例如听力损失。目前，氢气吸入不仅仅可以在医院内实现，家庭制氢仪也已经问世，人们可以足不出户进行日常保健或者疾病治疗。

2.1 灰尘颗粒湍流模型

狭窄过流通道内流场处于湍流状态，管壁附近的灰尘颗粒受到气流剪切力所带来的影响，因此采用SST k-ω湍流模型［15］。灰尘颗粒粒径分布使用 Rosin-Rammler函数［16］，模拟真实风沙环境颗粒物粒径分布状态。实际大气中灰尘颗粒的体积分数较小，通常低于10%［17］，因此采用DPM离散相模型，忽略颗粒物之间的相互作用，且不考虑离散相对连续相的影响。引入Lagrange方法计算每个离散相粒子的运动轨迹，颗粒物的作用力平衡方程为：

我国幅员辽阔，不同地区矿产资源的成分不同，水泥的生产工艺不尽相同，生产的水泥品种也不同；同一强度等级的水泥，熟料的矿物组成也可能存在较大差异。这些差异导致在实际应用中经常会出现混凝土外加剂与水泥不相容的问题。在混凝土配比相同的情况下，相同掺量、相同品种的混凝土外加剂常常会由于水泥品种不同，其应用效果的差异较大。同种混凝土外加剂在某种水泥中的应用效果较好，而在其他种类水泥中的应用效果可能会较差，甚至出现相反的效果，导致质量事故。

式中 uP——灰尘颗粒速度，m/s；

FD——颗粒物所受的曳力，N；

u ——气体相速度，m/s；

首先，应加强建设和完善智慧乡村旅游基础设施，重点加强环境整治、道路建设、绿化建设、基础网络建设和餐饮、住宿、娱乐、医疗卫生等基础设施和配套设施建设。

处于微米级和亚微米级的粒子运动中主要受到曳力和热泳力的作用［18-19］。论文研究的重点是灰尘颗粒对换热器的撞击过程，热泳力等附加力较曳力小一个数量级以上，计算时忽略，因此仅考虑曳力的作用，如下式表示：

风速的大小决定着气固两相流中颗粒物的运动速度，颗粒物撞击壁面的动量决定着冲蚀率的大小。在颗粒物粒径以相同Rosin-Rammler规律分布，颗粒物浓度为10 g/m3，不同风速情况下，换热管和翅片表面的冲蚀率的关系如图4所示。由图可以看出，随着风速的增加，翅片内侧以及换热管表面的平均冲蚀率与最大冲蚀率均呈递增的趋势。事实上，当风速增加时，雷诺数增大，剪切层的压力梯度增大，旋涡烈度增大同时绕流阻力减小，造成磨损程度随速度增加而加重，这与FINNIE［28］关于颗粒物冲蚀率与速度的关系趋势研究相符合。换热管表面的冲蚀磨损率较翅片表面大2～3个数量级，这是因为气固两相流来流风速为进气口单元面法线方向，并未增加其他方向的动量分量，粒子随气流进入通道对翅片表面只产生犁沟效应，而换热管表面受到法向来流冲蚀，冲击强度与撞击方式是引起两类表面冲蚀磨损率差别的主要原因。

ρp——颗粒物密度，kg/m3；

Rep——颗粒物的雷诺数；

CD——曳力系数；

然而秉持这样的教育观念与实践并不容易，要求老师都是大艺术家也应当归入妄想吧？所以通常我们看到，还是学生像老师（不管在形式还是理念上），学得像就是好学生了。能遇上大艺术家又学到他内在的精神，也只可能是极少数学生。

dp——颗粒物直径，m。

2.2 冲蚀磨损模型

根据光学显微镜对西北某地区风沙观测分析结果，沙粒形状近似圆形和椭圆形的可达80%以上［20］，论文假设灰尘颗粒仅为规则球形SiO2颗粒，采用EDWARDS［21］提出的冲蚀磨损模型：

雷诺数的范围为1 100～2 833，对应的气流速度为4～10 m/s。如图3所示，将压降的预测值与相应的试验值［27］进行了比较，压降的最大偏差值为8.6%，平均偏差在3%左右。模拟结果与试验结果吻合度较高，表明数值模型是可靠的。

f（θ）—— 适用于不同冲击材料的碰撞角函数，如式（4）所示。

观察组患者治疗总有效率达到92.50%，对照组总有效率则为72.50%，组间对比，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

如果你能读懂巴黎街道墙壁上的裂纹，看透每堵墙上的上故事，那你也许能懂关于手工坊的故事，它们和世界上所有灵感之地一样，充满着深刻的可能性。

表1 碳钢或铜和铝表面冲蚀率模型的经验常数Tab.1 Empirical constants for the erosion rate model of carbon steel or copper and aluminum surface

采用颗粒冲蚀模型表征离散相对壁面的冲蚀作用，冲蚀率Rerosion的模型方程［25］为：

式中 Rerosion—— 壁面材料在单位时间单位面积上损失的质量，kg/（m2·s）；

Nparticles——与壁面碰撞的粒子数，个；

Fx—— 在单位质量颗粒物上的其它附加力，N，主要由重力、布朗力、Saffman升力、热泳力和附加质量力所构成。

初中的学习内容以及学习要求与高中相比是有很大的区别的，初中主要以形象思维为主，而作为高中数学的起始课，“集合”是一个抽象的内容，要基于学生的认知基础和特征组织教学.“讲述+练习”的方式难以达到这个要求，相反，会给刚刚接触高中数学的学生当头一棒，危害的不仅仅是本节课的学习，更是对学生未来学习的伤害.

C（dp）——粒子直径的函数；

近日，国务院办公厅发布了《关于加快发展海水淡化产业的意见》,提出到2015年我国海水淡化日产能力将达到220万~260万m3;海水淡化原材料、装备制造自主创新率将达到70%以上;建立较为完善的海水淡化产业链，关键技术、装备、材料研发和制造能力达到国际先进水平。

f（θ）——碰撞角函数；

θ ——粒子与壁面的碰撞夹角，（°）；

bv——粒子运动速度函数；

v ——粒子运动速度，m/s；

式（4）中，A，a，b，X，w，Y，Z，α为与被冲蚀材料有关的经验常数［23-24］，取值见表1。

Aface——壁面计算单元的面积，m2。

函数C，f，b由边界条件中的函数值设定。

2.3 边界条件及求解器的设定

在整个计算模型中采用4种边界条件：速度入口、outflow、壁面边界、周期性边界，如图1所示。在速度入口处，空气以速度uin沿x方向进入计算域，沿y和z的速度分量均设为0。速度和压力的耦合计算采用SIMPLE算法，压力、动量、能量和湍流耗散率均使用二阶迎风格式，当各项残差小于10-6时，数值模拟计算视为收敛。

3 数值验证

ΔP具体计算方法为：

式中 f ——摩擦系数；

umax——最小截面处的最大气流速度，m/s；

无论官居何职，陈廷敬都能提出革新除弊的措施，而且在执行中身体力行，走在前头。在官居吏部尚书时，陈廷敬曾严饬家人，有行为不端者、有送礼贿赂谋私者，不得放入。他到礼部上任，则立下规矩：“自廷敬始，在部绝请托，禁馈遗。”难怪扬州八怪之一的文学家金农写诗赞陈廷敬：“独持清德道弥尊，半饱遗风在菜根。”

z ——管排数量。

式中 Fs——颗粒的形状系数，取 0.2［22］；

图3 压降Δp试验值［27］与模拟值之间的比较Fig.3 Comparison between the test value of pressure drop Δp and the simulated value

4 模拟结果和讨论

4.1 风速对冲蚀磨损的影响

式中 μ ——流体的动力黏度，Pa·s；

图4 不同风速下的平均冲蚀率与最大冲蚀率Fig.4 Average erosion rate and maximum erosion rate under different wind speeds

为了直观地分析平直翅片管换热器的磨损区域分布特点，对不同风速下换热器的磨损规律进行研究。由图5可知，磨损最为严重的区域位于第二排换热管前侧上下区域（区域1），多呈团状分布，且冲蚀率由换热管两侧向中间递减，冲蚀点的分布密度逐渐减小；次严重区域为上下半换热管的边缘区域（区域2），越靠近中间换热管部分，冲蚀现象越明显。这是因为当气流进入流道后，流速随着通道横截面积的缩小而增加，且中间换热管前的颗粒加速区域相对边缘换热管的过流面积较小，因此流过此区域的颗粒将获得更多的动能；通过换热管时，绕流增强使颗粒物撞击换热管的撞击角减小，导致换热管迎流面磨损率增大。同时，当气流横掠非光滑表面时，由于展向形貌的作用，在近壁面附近会产生微旋涡，带动微颗粒以法向速度撞击表面，且首次碰撞之后回弹的颗粒物在气流的影响下与中间换热管发生二次或多次碰撞，加剧了换热管与翅片表面的冲蚀磨损。

了解患者的基本信息，包括教育程度、家庭结构、经济状况以及既往病史，制定个性化健康宣教方案，采用通俗易懂的语言，向其介绍食管癌的病因病机、危险因素、易感人群、发病几率、临床症状、治疗方式等，在讲解时可发放相关知识卡片，嘱咐患者戒烟酒，勤洗澡，保持照射野皮肤干燥清洁，且该部位禁止使用肥皂，或用粗毛巾擦洗，局部不可粘贴脚步，不可涂抹乙醇、刺激性油膏等物质，选用宽松、吸汗、柔软的内衣。

图5 不同风速下换热管表面的冲蚀磨损云图Fig.5 Nephogram of erosion wear on the surface of heat exchange tubes under different wind speeds

为了准确分析换热管表面的冲蚀磨损规律，在第2排换热管外表面取一圆周线，采集2.5m/s风速下圆周线上2 000个数据点的冲蚀率，汇总结果如图6所示。

图6 2.5 m/s风速下第二排换热管圆周线上的冲蚀率Fig.6 Erosion rate on the circumference of the second row of heat exchange tubes under a wind speed of 2.5 m/s

由图可知，第2排换热管迎风面的冲蚀率显著大于背风面的冲蚀率；迎风面B区间内，冲蚀率在832位置时达到最大，与X轴夹角约为30°，冲蚀率向两侧逐渐递减；迎风面C区间内，冲蚀率在1 150位置时达到最大，与X轴夹角约27°，冲蚀率向两侧逐渐递减，且冲蚀点的分布密度逐渐降低；背风面A，D区间内，冲蚀率在低值范围内波动，且靠近中线部分的冲蚀率值偏大。

在风速为4 m/s、粒径分布区间为50～100 μm、浓度为5 g/m3、颗粒物冲蚀管翅式换热器时长为56 h的条件下，拍摄换热管表面与翅片内表面磨损的显微照片，如图7所示。图7（a）示出翅片与换热管交界处的冲蚀磨损实物图，交界处的冲蚀磨损在回流的影响下较为明显；图7（b）示出第2排与第3排换热管中间部位的翅片冲蚀磨损实物，多为犁沟效应形成的磨损；图7（c）示出第2排换热管迎风面的冲蚀磨损实物磨损；图7（c）为第2排换热管迎风面的冲蚀磨损实物图，磨损多呈团状分布；图7（d）示出第3排换热管迎风面的冲蚀磨损实物，磨损呈小范围团状分布，第2排换热管的冲蚀磨损现象更为明显。模拟结果与照片中冲蚀现象结果相符。

苗头预测法的运用需要劳动争议调解员必须有“纠纷具有复杂性、预防工作具有艰巨性和长期性、遏制纠纷继续发展和扩大的重要性”的认识，并在思想上高度重视，有意识地观察和分析苗头性问题。要做到这一点，劳动争议调解员必须具备敏锐的信息意识，要善于发现信息、搜集信息，捕捉其中的带有倾向性、苗头性的信息。在预测苗头时，还要注意对纠纷的变化有影响的因索，并区分不同的纠纷进行具体分析。

图7 试验条件下各部位冲蚀磨损形貌Fig.7 Erosion wear morphology of each area under test conditions

4.2 粒径对冲蚀磨损的影响

西北地区出现频次最多的风速为2.5 m/s［29］，因此模拟了不同粒径的颗粒物在此风速下对翅片与换热管表面的冲蚀情况，如图8所示。由图可知，换热管表面的平均冲蚀率比翅片表面的冲蚀率大3个数量级，因此仅就颗粒物对换热管表面的冲蚀磨损行为进行粒径与浓度对冲蚀率的影响研究。分析可知，在小粒径区间，随着颗粒物粒径的增大，换热管表面与翅片表面的平均冲蚀率呈线性上升趋势，拟合方程分别为：Y=0.85X-1.09、Y=0.96X+6.82，翅片上升的趋势较换热管上升迅速。随着粒径不断增大，翅片表面冲蚀率在10 μm附近达到峰值；在颗粒物粒径为10～50 μm之间时冲蚀率迅速降低；当颗粒物粒径在50～130 μm之间时，翅片表面冲蚀率几乎没有发生变化；当粒径在130 μm之后时，冲蚀率逐渐升高。换热管表面冲蚀率的最大值出现在25 μm附近；当粒径为25～150 μm时，换热管表面冲蚀率逐渐降低；当颗粒物粒径区间为150～250 μm时，冲蚀率未发生变化；当粒径在250 μm之后时，冲蚀率缓慢增大。分析表明，两表面冲蚀率出现相同变化趋势但粒径区间不一致的现象，主要原因在于铝制材料相比于铜制材料更容易响应颗粒的冲蚀行为。

通过IWRAP MKII软件计算出厦门港2016年碰撞事故数并与实际发生的碰撞事故数进行对比，其差值越小，代表越接近实际情况，验证选择的交通流数据的分布函数曲线与实际交通流数据分布的拟合程度越高，使用IWRAP MKII计算船舶碰撞和搁浅的次数与实际更相符，即软件评估风险的准确性越高。

图8 2.5 m/s风速下不同粒径颗粒物在换热管表面与翅片表面造成的平均冲蚀率Fig.8 Average erosion rate caused by particles of different sizes on the surface of the heat exchange tube and the surface of the fin under a wind speed of 2.5 m/s

图9示出了颗粒物浓度为10 g/m3，连续喷射100次时，不同风速、不同粒径下换热管表面平均冲蚀率的曲线。结合式（2）可以看出，小粒径颗粒物比大粒径颗粒物更容易受到曳力的影响，因此在相同气流速度下有更高的效率获得动能，小粒径颗粒物随着气流穿过边界层撞击到换热器表面时，反弹后更容易被气流携带形成二次碰撞，造成较大的冲蚀磨损；在一定浓度下，随着颗粒物粒径的增大，颗粒物数量减少，穿过边界层冲蚀表面的颗粒物较少，冲蚀面积降低；当颗粒物粒径增加到一定值时，虽然颗粒数量逐渐减少，但颗粒物的动量较大，对表面冲击程度加强，导致冲蚀变化较小，粒径对冲蚀的影响减弱；在叉排管翅式换热器曲折主流区内，大粒径颗粒物因惯性作用下容易偏离主流区，与翅片内表面产生一定程度的摩擦，自身的动能被翅片部位消耗，从而出现翅片内表面更容易受大粒径颗粒物冲蚀的现象。

当前绩效评价结果通常仅仅局限在反映情况这一层次，对绩效评价结果的应用还不够充分，也未能建立起绩效评价结果的长效运用机制。农业科研绩效评价也呈现明显的该趋势。实际工作中，科研人员注重农业科研项目立项和验收的组织，对项目绩效评价的重视却不够，甚至将绩效评价视为一项任务，在此基础上形成的绩效评价结果往往可靠性不够高。尽管要求绩效评价结果应当作为今后项目立项的依据，但由于对评价结果的分析不够，以及项目管理部门、财务部门、项目实施部门配合不够，实际中农业科研项目的绩效评价结果还缺乏长效应用机制。

图9 不同颗粒物粒径在不同风速下换热管表面平均冲蚀率Fig.9 The average erosion rate of different particle sizes on the heat exchange tube surface under different wind speeds

4.3 颗粒物浓度对冲蚀磨损的影响

结合上文分析结论，根据冲蚀变化趋势，按照粒径分布区间分别选取5，20，200 μm 3种阶段粒径的颗粒，控制2.5，5.5，8.5 m/s风速，研究不同质量浓度的颗粒物单次喷射行为对换热管表面磨损的影响，图10示出不同颗粒物浓度下换热管表面平均磨损率。

图10 不同颗粒物浓度下换热管表面平均磨损率Fig.10 Average wear rate on heat exchange tube surface under different particle concentrations

图中可以看出，在相对质量分数较低的情况下，随颗粒物浓度的增加，磨损率整体呈线性上升的趋势。进一步控制变量分析发现，在相同粒径情况下，速度越大，平均磨损率越大；在相同速度情况下，粒径为20 μm的颗粒物冲蚀下的磨损相对严重，这与图4所示结果一致。这是因为在粒径相同时，浓度越大，颗粒数量越多，获得相同动能对换热管与翅片表面造成冲击的颗粒物数量也随之增加，所以浓度和磨损率呈线性增加的趋势。对比粒径为20，200 μm的颗粒物在不同风速、浓度下的磨损率曲线斜率可以发现，风速的影响最大，颗粒物粒径次之，浓度的影响最小；但对比粒径为20，5 μm的颗粒物在不同风速、浓度下的磨损率曲线斜率可以发现，粒径对磨损的影响大于风速的影响。即在大粒径区间内，风速对冲蚀率的影响较大；小粒径与峰值粒径区间内，粒径对冲蚀率的影响较大。