直接空冷式凝汽器翅片散热器流动传热性能及单元流场特性研究

摘要

当今世界能源短缺的形势日趋严重，而且能源的生产又必然受到经济与环保等因素的制约。直接空冷式凝汽器因为经济、环保、而且具有良好的换热性能，所以在空冷电站系统中得到了越来越广泛的应用。 翅片作为构成凝汽器换热面的基本单元，其表面流动传热性能对凝汽器性能起决定性作用。在直接空冷翅片散热器翅片上的传热过程中，翅片的导热和空气的对流换热是相互耦合的，而这在以前的研究中忽略了。本文对直接空冷式凝汽器翅片散热器的三维耦合对流传热过程进行系统的数值模拟，并结合实验研究分析、总结了凝汽器翅片散热器的流动阻力和传热准则关系式，为工程设计提供了科学的依据。 另一方面，由于直接空冷电站凝汽器几何结构和流场的复杂性等问题，使得实验研究受到许多限制。而采用CFD软件对其温度场和流场进行数值模拟分析，可以清楚地了解直接空冷凝汽器内部流场的压力、温度、速度等气动热力参数的分布和变化情况，优化其几何结构参数，缩短设计周期。 本文研究了不同迎面风速和翅片长度对翅片散热器的传热和流动性能的影响以及不同的横风速度、风机转速、环境温度、风机叶片安装角直接空冷对凝汽器单元空气侧流动性能的影响。研究结果表明： a.采用数值分析对直接空冷凝汽器翅片散热器及进行模拟计算，计算结果与实验结果吻合良好，证明数值分析方法在直接风冷凝汽器翅片散热性能预测上是可行的； b.翅片扁管散热器气侧换热系数和流动阻力都随着迎面风速的增大而增大；在同样迎面风速下，随着翅片长度的增加，翅片扁管散热器的气侧换热系数逐渐减少，流动阻力逐渐增加。通过对模拟数据的回归分析，得出翅片扁管散热器的换热无量纲准则关系式： Nu=3.272354(l/de)-0.243177·Re0.346902·Pr2.370178 公式适用范围：40＜Re＜1800 c.横风速度的增大、环境温度的升高，对直接空冷凝汽器单元流场产生不利的影响。散热器出口质量平均速度随着横风速度的增大和在额定转速下，随着环境温度的升高均呈线性减少；风机叶片安装角和风机转速的增大，则对直接空冷凝汽器流场产生有利的影响。散热器出口质量平均速度随着风机叶片安装角和风机转速的增大而分别呈二次曲线规律和对数曲线规律增大； d.基于单排管散热器流动换热实验数据，对散热器出口面积平均换热系数作了分析。发现散热器出口面积平均换热系数随风机转速的增大呈对数曲线规律增大；随着风机叶片安装角的增大和环境温度的升高而呈二次曲线规律增大；随着横风速度的增大而呈三次方曲线减少； 本文对直接空冷式凝汽器翅片散热器流动传热性能及单元流场特性进行了比较全面的数值模拟，分析了各种几何结构参数和环境因素的影响，具有一定的学术意义和工程应用价值，为电站直接空冷系统的优化设计和现场运行控制策略提供了依据。

目录

文摘

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1绪论

1.1概述

1.2文献综述

1.2.1空冷凝汽器的研究现状

1.2.2换热元件的研究现状

1.3存在的问题及本课题的研究任务

2电站凝汽器空气侧翅片传热与阻力特性实验

2.1概述

2.2风洞实验系统简介

2.2.1用途

2.2.2系统实验目的及主要参数

2.3测试原理及方法

2.3.1空气侧测量参数

2.3.2水侧参数

2.3.3实验方法

2.4实验元件几何尺寸与结构参数

2.5实验数据整理

2.5.1传热性能实验数据整理

2.5.2阻力性能实验数据整理

2.6实验结果分析

3直接空冷凝汽器翅片散热器流动与传热的数值模拟

3.1引言

3.2直接空冷凝汽器散热器空气侧对流换热的物理数学模型

3.3控制方程

3.4边界条件

3.5数值计算方法

3.6计算结果及其分析

3.6.1不同迎面风速下的计算结果

3.6.2结果分析

4凝汽器单元流场特性的数值模拟

4.1物理模型

4.2数学模型

4.3边界条件的设定

4.3.1考虑横风影响时的边界条件

4.3.2考虑不同的风机叶片安装角对流场的影响时的边界条件

4.3.3考虑不同的风机转速对流场的影响时的边界条件

4.3.4考虑环境温度变化时对流场的影响时的边界条件

4.3.5风机考虑切向速度时对流场的影响时的边界条件

4.4数值求解

4.5数据后处理方法

4.5.1质量平均速度

4.5.2翅片管散热器出口换热系数

4.6数值计算结果及分析

4.6.1横风方向为正y方向时对单元流场特性的影响

4.6.2横风方向为正x方向时对单元流场特性的影响

4.6.3风机叶片安装角对单元流场特性的影响

4.6.4风机转速对单元流场特性的影响

4.6.5额定转速下，环境温度对流场的影响

4.6.6风机考虑切向速度对流场的影响

5总结

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间论文发表情况