船用冷凝器冷却水阻力的计算研究

船用冷凝器冷却水阻力计算研究2010年6月7日摘要: 船用冷凝器是船舶动力系统的重要组成部分之一，其冷却水阻力计算方法为: 冷凝器热计算的重要内容. 参数的确定与设备设计的成功或失败有关，并且还影响船舶动力系统的性能. 采用1: 1比例的全三维数值模型对冷凝器中冷却水的流动特性进行数值模拟，得到冷凝器的流场运动和流阻特性. 与实验结果相比，两者吻合得很好. 通过实验验证的数值计算方法，可以为提高蒸汽冷凝器的冷凝效率和优化其结构设计提供技术支持. 关键词: 蒸汽电厂冷凝器冷却水阻力；模拟0前言船用蒸汽冷凝器是船舶动力系统的重要组成部分之一. 它主要用于在主汽轮机完成工作并保持一定真空度后接受蒸汽不足的情况. 度. 冷凝器和蒸汽轮机形成一个有机整体. 冷凝器的性能将直接影响蒸汽轮机的功率输出和船舶动力系统的推进性能. 蒸汽冷凝器的重要性能指标是其蒸汽冷凝效率，冷凝效率取决于冷凝器的热交换性能和水侧流动特性. 因此，在冷凝器设计之初，冷凝器的热计算是最重要的研究内容之一. 随着计算机流体力学的发展，数值模拟方法提供了一种描述冷凝器热过程的新方法.

研究人员已经使用CFD技术对各种换热器的流动和传热特性进行了更多的研究，而对船用蒸汽冷凝器的流动特性进行了较少的研究. 蒸汽冷凝器中的冷却水管很多，长径比大，计算过程中的网格数很大. 因此，数值研究中常用的研究策略是采用多孔介质的数值求解方法. 该方法通过在求解过程中将水侧流动特性用作近似值，从而达到简化数值求解的目的. 多孔介质模型可用于获得冷凝器的整体阻力特性，但不能真正反映冷凝器水侧的详细流场分布特性. 1: 1完整的三维物理模型是根据冷凝器的实际几何尺寸进行计算和仿真的算法. 它不仅可以计算设备的入口和出口流场的特征，而且可以反映设备的内部流特征. 为了更真实地反映蒸汽冷凝器的水侧流动特性，使用了比例为1: 1的蒸汽冷凝器的三维模型，并获得了其数值解船用大气冷凝器作用，并得出了流场运动规律和获得了冷凝器的流阻特性. 与结果相比，两者非常吻合. 通过实验验证的数值计算方法，可以为提高蒸汽冷凝器的冷凝效率和优化其结构设计提供技术支持. 1冷凝器模型的建立根据冷凝器水侧流的特性和所使用的数值模型方法，建立了1: 1全尺寸的三维冷凝器水侧物理模型，如图1所示. 由于有数千个冷却水冷凝器水侧的管道，长宽比也很大.

CFD计算网格的数量取决于模型的最小结构比例. 因此，为了模拟许多冷却水管中实际流体的流动，计算模型需要大量的网格. 为了确保计算结果的准确性，该模型的划分网格数为187万. 冷凝器物理模型的网格划分如图2所示. 考虑到网格数量众多，可采用并行计算方法来提高数值求解的速度. 2数值求解方法和边界条件本文采用标准的k-ε端流​​模型对冷凝器的水流进行数值模拟，其输运方程如[5]所示. 单独的隔离隐式方法用于求解每个控制方程. 端流能量，端流耗散项和动量方程均采用二阶迎风式离散. SIMPLE算法用于求解压力与速度之间的耦合关系. 墙面采用防滑边界条件和标准墙函数. 在完整的三维物理模型的计算中，整个冷却管内部的面积为连通面积. 在计算中，给定冷凝器的入口边界为流动边界条件；出口假定流体的末端流已充分展开，并且自由边界条件；壁表面没有速度滑移，湍流脉动为零. 流体入口和出口的湍流参数分别设置为湍流强度和水力直径. 3计算结果和比较图3和图4分别是冷凝器中水侧速度分布图和水侧流线图. 从图中可以看出，当流体从冷凝器的入口进入入口水室时，溢流段突然膨胀. 由于流体的惯性船用大气冷凝器作用，它不能根据管子的形状突然膨胀到整个横截面，但会逐渐膨胀. 在膨胀过程中，入口的侧壁会产生大量的涡流水室，形成低压回旋区，消耗一部分流体的机械能并增加阻力损失.

大量的冷却水管作为流道布置在管板的壁面上. 流体直接冲洗到管板的中央部分，一部分流体进入中间冷却水管，另一部分流体被管板的壁表面阻塞. 流体的动能转化为压力. 可以形成高压区域，并且流体扩散到周围的低压区域. 在管板和冷凝器壳体连接的边缘区域，没有液体直接冲刷. 由于冷却水管呈蛇形排列，因此管内的流量分布更均匀，更有利于管外的热传递，但从以上计算结果可以看出，仍然存在一定的问题. 相邻管道之间的流体流量差异. 因此，在优化冷凝器结构设计时，管束的布置应尽可能满足管内流量均匀分布的要求，以提高换热效率. 图5显示了在不同流量条件下冷凝器中水侧速度的矢量图. 从图中不难看出，1: 1全三维物理模型模拟计算可以反映真实的流动特性. 图6示出了冷凝器的阻力与入口流量之间的关系. 阻力特性曲线表明，压降随流量的增加而增加. 同时，将上述计算结果与实验数据进行了比较. 从曲线上可以看出，仿真结果与实验结果相近，最大误差为8.18％，平均误差为2.97％，吻合度良好，说明了三维模型的完整仿真方法，湍流模型选择和算法都比较合理. 4结论冷凝器有很多冷却管，长宽比很大. 难以计算完整的三维值. 1: 1比例用于全尺寸建模蒸汽冷凝器，并行求解方法用于数值模拟冷凝器的耐水性. 得出以下结论: 1）通过将数值结果与实验结果进行比较，两者更加接近. 证明了该方法能够准确模拟冷凝器水侧的流阻特性.

2）冷凝器水侧的最大电阻损失出现在冷却水管束之间. 结合完整的三维数值模拟计算结果，对于所研究的冷凝器，冷却水管束的蛇形布置有所减少. 冷却管中的流量和速度分布不均匀. 3）使用1: 1完整的三维物理模型来模拟设备的流动特性. 该方法可以从微观的角度出发，优化冷凝器中冷却水管道的布局，为提高蒸汽冷凝器的冷凝效率提供数据支持.

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