引言

瀾滄江流域蘊藏著豐富的水能資源、有色金屬資源、旅游資源和生物資源。早在1985年,國家計委就將瀾滄江中游地區(qū)選為水電-有色金屬基地,列為國家19個重點開發(fā)區(qū)之一。瀾滄江流域在經濟得到發(fā)展的同時,也出現(xiàn)了水質污染等環(huán)境問題。近年來,該流域多個水電站發(fā)電機空氣冷卻器、油冷卻器相繼進入檢修更換階段,電廠檢修過程中發(fā)現(xiàn),冷卻管入口處在水流長期沖刷下普遍存在管壁厚度不均、管板脹接處漏水問題,給冷卻器的使用性能及壽命帶來較大影響。

本文采用CFD軟件對3種結構的冷卻器結構模型進行了仿真分析,發(fā)現(xiàn)水流分配器對冷卻器內水流分配特性有著顯著影響,并將分析結果應用于冷卻器產品中。

1冷卻器并聯(lián)冷卻管幾何模型

冷卻器內流量分布狀況最終取決于流體壓力沿軸向的變化,而壓力的變化規(guī)律則受以下兩個方面因素的制約:（1）沿程摩擦阻力:（2）分流和匯流造成的流體動量的沿程變化。

圖1為常規(guī)不帶水流分配器的冷卻器模型,冷卻水從下方入口進入后,通過下水箱分別進入冷卻管中,然后在上水箱內匯流后經出口流出。圖2為改型不帶水流分配器的冷卻器模型,通過對冷卻器下水箱結構進行更改,改變水流進入冷卻管管口的方向,以此來達到改

善水流分配特性的目的。圖3為在圖1結構基礎上加裝水流分配器的冷卻器模型,通過加裝水流分配器,改變冷卻水在水箱中的運動形態(tài),改善各冷卻管內水流分布,同時減少冷卻水對冷卻管口的沖刷腐蝕。圖4為模型幾何坐標圖。

2數(shù)學模型

采用有限元方法對模型中流體的流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬,湍流模型運用k-E二方程模型,介質服從質量守恒定律和動量守恒定律。工作流體為液態(tài)水,質量守恒方程、動量守恒方程和湍流附加方程如下:

質量守恒方程:

式中:u、p和w分別為速度在x、y和:方向上的分量。

動量守恒方程:

式中:p為運動粘度:p為壓力:g為重力加速度。

k-ε湍流方程:

3數(shù)值模擬結果

3.1速度矢量圖

通過3CF數(shù)值模擬,分別得到1種模型的速度矢量圖,如圖D、圖5、圖6所示。

結果分析:

（1）圖D一進水口兩側會形成較大的漩渦,正對入口位置及靠近出口位置的冷卻管管內水速較高,左起第4根冷卻管管內水速極低,靠近右側漩渦頂端的冷卻管入口處水速極高。

（2）圖6一進水口兩側會形成漩渦)略小于圖5）,正對入口位置及靠近出口位置的冷卻管管內水速較高,左起第4根冷卻管管內水速極低,靠近右側漩渦頂端的冷卻管入口處水速極高。

（3）圖7一進水口兩側無明顯漩渦,通過水流分配器后進入冷卻管內的水速較均勻,冷卻管各入口處無極高水速情況。

（4）通過對比可以看出,圖3模型打散了進水口兩側的漩渦,水速極高位置出現(xiàn)在水流分配器上,減少了冷卻水對冷卻管入口的沖刷:水流分配器能有效改善各冷卻管內水速分布,使管內水速趨向均勻。

3.2Y=120處管內水速分布圖

通過CFD數(shù)值模擬,分別得到3種模型在Y=120處冷卻管管內水速分布對比,如圖8所示。

結果分析:

（1）圖1模型一編號5、6、9、10的冷卻管內水速較高,編號3、7、8的冷卻管內水速較低,編號4的冷卻管內水速極低。

（2）圖2模型一編號5、6、9、10的冷卻管內水速較高,編號7的冷卻管內水速較低,編號4的冷卻管內水速極低。

（3）圖3模型一除編號10的冷卻管內水速較高外,其余管內水速分布趨向均勻。

（4）通過對比可以看出,相比于圖1模型,圖2模型改善了編號6的冷卻管內水速,但對編號4的冷卻管內水速無改善效果,其余冷卻管內水速趨向均勻:相比于圖1模型和圖2模型,圖3模型對冷卻管內水速分布均勻性改善效果明顯。

3.3冷卻管進出水口壓力分布圖

通過CFD數(shù)值模擬,分別得到3種模型在冷卻管入口P1)Y=50）、出口P2)Y=190）處的水壓,并計算得出壓差比AP,對比如圖9所示。

圖93種模型壓差比對比圖

結果分析:

（1）圖1模型一編號3、7、8的冷卻管內壓差比為負值,編號4的冷卻管內壓差比為1%。

（2）圖2模型一編號7、8的冷卻管內壓差比為負值,編號4的冷卻管內壓差比為0%。

（3）圖3模型一編號7的冷卻管內壓差比為負值,其余壓差比趨向均勻。

)4）通過3種模型壓差比對比圖可以看出,相比于圖1模型,圖2模型改善了壓差分布,但是編號4的冷卻管存在惡化趨勢:相比于圖1模型和圖2模型,圖3模型壓差分布趨于均勻,改善效果明顯。

4水流分配器在水電機組配套冷卻器上的應用

基于水流分配器對冷卻器中冷卻水流的分配作用的分析,技術人員在模型的基礎上,設計出水流分配器產品,并成功應用于云南瀾滄江流域多個電廠發(fā)電機空氣冷卻器中。自這些空氣冷卻器投運以來,性能穩(wěn)定可靠。在隨后的電廠油冷卻器改造中,水流分配器都得到了應用:在新的空氣冷卻器改造中,電廠也普遍提出了空氣冷卻器須帶水流分配器的要求。可見,根據(jù)產品應用效果和電廠需求情況,水流分配器在冷卻器產品上應用前景廣闊。

5結論

本文通過對冷卻器并聯(lián)冷卻管內水流分配特性數(shù)值模擬結果的分析,結合其在產品上的應用,可以得出以下結論:

(1）水流分配器能夠打散進水口兩側的漩渦區(qū),使水速極高位置出現(xiàn)在水流分配器上,減少冷卻水對冷卻管入口的沖刷,可以延長冷卻器的使用壽命,并提高其工作可靠性:

(2）水流分配器能有效改善各冷卻管內水速分布,使管內水速趨向均勻:

(3）水流分配器可以在冷卻器產品上推廣應用。