谢洁飞，张 宇，罗武生，尹 点

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

空气——空气冷却器（简称空——空冷却器）是目前风力发电机组中常用的一种关键设备，是利用环境空气冷却发电机组内部的热循环空气，从而起到降低发电机组内部温度，提高发电机组运行寿命的作用。根据结构特征的不同，空——空冷却器可以分为管式、板式、扩展表面式、以及再生式换热器等四类。其中，板式换热器具有传热系数高、对数平均温差大、占地面积小、重量轻等优点，已广泛应用于石油、化工、制冷空调、电力等多个工业领域。本文主要采用SolidworksFlowSimulation插件，对某风力发电机组用铝箔片平板式空——空冷却器性能进行数值模拟，分析冷热空气介质在换热器内的流动速度、温度、压力及其流动轨迹的流场分布，从而为该换热器结构优化设计奠定理论分析基础。

1 冷热空气流动控制方程与湍流模型

1.1 流动控制方程

换热器冷热空气流体内部流动属于一种三维、粘性、非定常湍流流动，其运动规律符合纳维——斯托克斯控制方程，包括：

质量守恒方程:

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式（1）~（4）中：u=ui+vj+wk；u、v、w分别为流速在 x、y、z坐标方向的分量；ρ为流体密度；μ为流体动力密度；P为流体压力；Su、Sν、Sw为流体源在 x、y、z坐标方向的分量；Cp为比热容；T为温度；λ为流体的导热系数；ST为粘性耗散项。

1.2 气体湍流模型

空——空冷却器内部流动状态为紊流，求解冷热空气流动控制方程非常困难，工程上主要采用时均方程加紊流模型的求解方法进行求解。若不考虑用户自定义的源项，则常用的标准两方程k-ε紊流模型可以分别表示为：

紊动能方程：

紊动耗散率方程：

2 三维模型与网格划分

空——空冷却器主要是采用四个结构形式和尺寸都完全相同的换热机芯并联组合而成，每个换热机芯都是通过特殊工艺将多个很薄的铝箔片叠加而成的一种板片式换热器。相邻两片铝箔片边缘折叠形成1个换热流道，每片铝箔片两侧分别对应室内循环、室外循环气流流道，且内外循环气流完全分开。室内和室外循环空气气流分别经过内外循环风机加压，输送至换热机芯，以90度交叉方式通过换热机芯流道，并经由铝箔片进行热量交换，温度由较高的内循环一侧传递到较冷的外循环一侧，从而实现将内循环热量带走，起到冷却内循环的目的。

图1 换热机芯三维模型

根据铝箔片平板式空空冷却器的设计要求，采用Soli dworks软件建立了该冷却器一组两个相邻换热机芯的三维模型，如图1所示。

Solid works Flow Simulation采用自适应直角坐标网格方法进行三维实体网格划分，控制方程采用Navier-Stokes方程，湍流模型采用标准k-ε双方程模型，近壁区采用壁面函数的半经验公式。在Solid works Flow Simulation中对三维模型进行自适应直角网格划分，得到流体区域网格单元53614个、固体区域网格单元744个，部分网格单元339262个，总网格单元共计393620个。

3 数值计算方法与边界条件

在冷却器冷热空气流体流动控制方程中，动力方程为压力速度耦合方程，主要采用计算效率比较高的标准SIMPLE方法求解，湍流模型方程主要采用二阶迎风格式进行离散求解，代数方程迭代计算采用亚松弛进行。

在Solid works Flow Simulation模块中建立空空冷却器换热机芯数值分析模型。首先指定热空气流体子域为内循环通道，冷空气流体子域为外循环通道，设置换热板片材料为铝箔片材料3A21，其它默认。其次，假设空空冷却器内循环通道进口的热空气温度为75℃，进口流量为14000m3/h，内循环热空气出口压力设置为静压条件，其它设置为默认；外循环通道进口的冷空气温度设置为38℃，进口流量设置为2200m3/h，其它设置为默认。最后分别设置热空气和冷空气出口平均温度为收敛目标后运行求解。

4 数值模拟与分析

4.1 温度场分布图

数值模拟计算后得到温度场三维分布如图2和图3所示，从图2和图3中的流动迹线可以清楚地看出冷热空气在数值模拟过程中温度的变化情况。其中，图2表示内循环通道内热空气温度的分布图，代表温度的颜色由红色逐渐变为深蓝色，说明热空气被逐渐降温，温度从75℃逐渐降到53.98℃；图3表示外循环通道内冷空气温度分布图，代表温度的颜色由深蓝色逐渐变为红色，说明冷空气被逐渐加热，温度从38℃逐渐上升到48.55℃。

图2 热空气温度变化分布图

图3 冷空气温度变化分布图

4.2 压力场分布

数值模拟计算后得到压力场三维分布如图4和图5所示，从图4和图5中的流动迹线可以清楚地看出冷热空气在数值模拟过程中压力的变化情况，内循环通道内热空气压力与外循环通道内冷空气压力都存在不同程度的降低，热空气压力降900Pa左右，冷空气压力降550Pa左右，模拟结果与实际情况相符。

图4 热空气压力变化分布图

图5 冷空气压力变化分布图

4.3 速度矢量场分布

数值模拟计算后得到速度矢量场三维分布图如图6和图7所示。从图6中可以看出热空气进入内循环通道后速度逐渐增加，在通道中间达到最大，然后再逐渐慢慢下降，直至出口处降到最低。从图7中可以看出冷空气在外循环同一通道内速度变化不是很大，但外循环不同通道内速度变化较大，表明单个换热机芯中外循环不同通道内冷空气流量分布不均匀。模拟结果与实际情况相符。

图6 热空气速度矢量分布图

图7 冷空气速度矢量分布图

5 性能预测

5.1 换热功率

空——空冷却器换热功率可通过式8或式9计算。

式中：cρh、cρc分别为热空气与冷空气的平均比热容，kJ/（m2·℃）；T1、T2分别为热空气进口与出口温度，℃；t1、t2分别为冷空气进口与出口温度，℃；Vh、Vc分别为热空气与冷空气的体积流量，m3/h；ρh、ρc分别为热空气与冷空气的平均密度，kg/m3。

在1个标准大气压下，空气温度为50~75℃时，空气平均比热容为1.017kJ/（m2·℃），平均密度为1.014kg/m3，内循环热空气体积流量为14000m3/h，热空气进口温度为75℃，热空气出口温度为53.98℃。将以上参数代入式（8）可得出空空冷却器换热功率为88.23kW，符合设计基本要求。

5.2 总传热系数

空——空冷却器总传热系数可通过式10计算。

式中：K为总传热系数；Δt1为外循环冷空气进出口温度差，℃；Δt2为内循环热空气进出口温度差，℃；S为有效换热面积，m2；P为冷空气温升与冷热空气最初温度差的比值；R为热空气温降与冷空气温升的比值；f（P，R）为冷热空气相互错流温差矫正系数。

空——空冷却器每组两个换热机芯由88片铝箔片构成，有效换热面面积为123.84m2；外循环冷空气进出口温升10.55℃；内循环热空气温降22.02℃；冷空气温升与冷热空气最初温度差的比值为0.28；热空气温降与冷空气温升的比值为2.08；冷热空气相互错流温差矫正系数为0.97。将以上参数代入式（10）可得出空——空冷却器总传热系数为47。

6 结语

（1）以Solid works Flow Simulation为数值模拟计算平台，利用计算流体动力学方法对某一空空冷却器额定工况下的内部流动与传热状态进行了数值模拟，分别得出了内外循环通道内空气介质的压力、速度、温度等分布。通过对模拟结果进行分析，揭示了空空冷却器内部流动与传热规律，表明采用SolidworksFlowSimulation插件数值模拟空空冷却器内部流动与传热状态实用、方便、快捷。

（2）在数值模拟空空冷却器内部流动和传热状态的基础上预测了空空冷却器的换热功率和总传热系数，与物理模型试验结果比较接近。这就表明，基于三维雷诺时均的纳维斯托克斯方程和标准湍流模型方程预测空空冷却器流动与传热性能具有很高的计算精度，能够为空空冷却器结构与性能优化提供理论基础，在实际工程中具有应用价值。

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