冷却器并联冷却管内水流分配特性分析与应用

高春林　吴文波

摘要：通过CFD数值模拟，对3种冷却器模型并联冷却管内水流分配特性进行分析和对比，探究水流分配器对冷却水流的分配作用，为提高冷却器的使用性能，延长其使用寿命提供应用依据。

关键词：数值模拟;冷却器;水流分配器;水流分配特性

中图分类号：TV734    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）02-0043-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.012

0    引言

澜沧江流域蕴藏着丰富的水能资源、有色金属资源、旅游资源和生物资源。早在1985年，国家计委就将澜沧江中游地区选为水电-有色金属基地，列为国家19个重点开发区之一。澜沧江流域在经济得到发展的同时，也出现了水质污染等环境问题[1]。近年来，该流域多个水电站发电机空气冷却器、油冷却器相继进入检修更换阶段，电厂检修过程中发现，冷却管入口处在水流长期冲刷下普遍存在管壁厚度不均、管板胀接处漏水问题，给冷却器的使用性能及寿命带来较大影响。

本文采用CFD软件对3种结构的冷却器结构模型进行了仿真分析，发现水流分配器对冷却器内水流分配特性有着显著影响，并将分析结果应用于冷却器产品中。

1    冷却器并联冷却管几何模型

冷却器内流量分布状况最终取决于流体压力沿轴向的变化，而压力的变化规律则受以下两个方面因素的制约：（1）沿程摩擦阻力;（2）分流和汇流造成的流体动量的沿程变化[2]。

图1为常规不带水流分配器的冷却器模型，冷却水从下方入口进入后，通过下水箱分别进入冷却管中，然后在上水箱内汇流后经出口流出。图2为改型不带水流分配器的冷却器模型，通过对冷却器下水箱结构进行更改，改变水流进入冷却管管口的方向，以此来达到改善水流分配特性的目的。图3为在图1结构基础上加装水流分配器的冷却器模型，通过加装水流分配器，改变冷却水在水箱中的运动形态，改善各冷却管内水流分布，同时减少冷却水对冷却管口的冲刷腐蚀。图4为模型几何坐标图。

2    数学模型

采用有限元方法对模型中流体的流动状态进行数值模拟，湍流模型运用k-ε 二方程模型，介质服从质量守恒定律和动量守恒定律。工作流体為液态水，质量守恒方程、动量守恒方程和湍流附加方程如下：

质量守恒方程：

式中：u、v和w分别为速度在x、y和z方向上的分量。

动量守恒方程：

3    数值模拟结果

3.1    速度矢量图

通过CFD数值模拟，分别得到3种模型的速度矢量图，如图5、图6、图7所示。

结果分析：

（1）图5——进水口两侧会形成较大的漩涡，正对入口位置及靠近出口位置的冷却管管内水速较高，左起第4根冷却管管内水速极低，靠近右侧漩涡顶端的冷却管入口处水速极高。

（2）图6——进水口两侧会形成漩涡（略小于图5），正对入口位置及靠近出口位置的冷却管管内水速较高，左起第4根冷却管管内水速极低，靠近右侧漩涡顶端的冷却管入口处水速极高。

（3）图7——进水口两侧无明显漩涡，通过水流分配器后进入冷却管内的水速较均匀，冷却管各入口处无极高水速情况。

（4）通过对比可以看出，图3模型打散了进水口两侧的漩涡，水速极高位置出现在水流分配器上，减少了冷却水对冷却管入口的冲刷;水流分配器能有效改善各冷却管内水速分布，使管内水速趋向均匀。

3.2    Y=120处管内水速分布图

通过CFD数值模拟，分别得到3种模型在Y=120处冷却管管内水速分布对比，如图8所示。

结果分析：

（1）图1模型——编号5、6、9、10的冷却管内水速较高，编号3、7、8的冷却管内水速较低，编号4的冷却管内水速极低。

（2）图2模型——编号5、6、9、10的冷却管内水速较高，编号7的冷却管内水速较低，编号4的冷却管内水速极低。

（3）图3模型——除编号10的冷却管内水速较高外，其余管内水速分布趋向均匀。

（4）通过对比可以看出，相比于图1模型，图2模型改善了编号6的冷却管内水速，但对编号4的冷却管内水速无改善效果，其余冷却管内水速趋向均匀;相比于图1模型和图2模型，图3模型对冷却管内水速分布均匀性改善效果明显。

3.3    冷却管进出水口压力分布图

通过CFD数值模拟，分别得到3种模型在冷却管入口P1（Y=50）、出口P2（Y=190）处的水压，并计算得出压差比ΔP，对比如图9所示。

结果分析：

（1）图1模型——编号3、7、8的冷却管内压差比为负值，编号4的冷却管内压差比为1%。

（2）图2模型——编号7、8的冷却管内压差比为负值，编号4的冷却管内压差比为0%。

（3）图3模型——编号7的冷却管内压差比为负值，其余压差比趋向均匀。

（4）通过3种模型压差比对比图可以看出，相比于图1模型，图2模型改善了压差分布，但是编号4的冷却管存在恶化趋势;相比于图1模型和图2模型，图3模型压差分布趋于均匀，改善效果明显。

4    水流分配器在水电机组配套冷却器上的应用

基于水流分配器对冷却器中冷却水流的分配作用的分析，技术人员在模型的基础上，设计出水流分配器产品，并成功应用于云南澜沧江流域多个电厂发电机空气冷却器中。自这些空气冷却器投运以来，性能稳定可靠。在随后的电厂油冷却器改造中，水流分配器都得到了应用;在新的空气冷却器改造中，电厂也普遍提出了空气冷却器须带水流分配器的要求。可见，根据产品应用效果和电厂需求情况，水流分配器在冷却器产品上应用前景广阔。

5    结论

本文通过对冷却器并联冷却管内水流分配特性数值模拟结果的分析，结合其在产品上的应用，可以得出以下结论：

（1）水流分配器能够打散进水口两侧的漩涡区，使水速极高位置出现在水流分配器上，减少冷却水对冷却管入口的冲刷，可以延长冷却器的使用寿命，并提高其工作可靠性;

（2）水流分配器能有效改善各冷却管内水速分布，使管内水速趋向均匀;

（3）水流分配器可以在冷却器产品上推广应用。

[参考文献]

[1] 支国强，戴丽.澜沧江流域环境状况及“十一五”水环境保护展望[J].环境科学导刊，2008，27（5）：31-34.

[2] 张润来，方一红.并联管组模型流动均匀性分析[J].天津科技大学学报，2007，22（2）：45-48.

收稿日期：2021-10-28

作者简介：高春林（1983—），男，安徽蚌埠人，工程师，从事水火电发电机组产品设计工作。