2024年3月28日发(作者：道寄松)
广
１２０
东化工
２０１ ８年第１３期
第４５卷总第３７５期
ＷＷＷ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ
基于Ｆｌｕｅｎｔ的自然风冷管束散热器的仿真分析
刘建伟，卢志敏，朱冰，吴安兵，许治修，魏芳伟，代杰，蒙元楷
（广州Ｉ舟澜 能披术股份有限公 ｑ节能研宄院，广东广州５１０６６３）
［摘要】为ｌ『研究一种海上风力发电机组的自然风冷管束散热器的散热性能，对实际模型进行分块简化计算，对于迎风面，建立高温液体与
空气接触的全模型．对于背风面．仅建立高温液体模型，采用数值模拟，通过考察不同模型的进出口温差，采用线性叠加的方式．计算出该敏
热器的总体温差，结果表明：在外部环境温度为３５℃时，该散热器的散热温差达到５．４２℃，而３８℃时，散热总温差为４．５３６℃。
［关键词】自然风冷：数值模拟：温差：散热器
［中图分类号】ＴＱ ［文献标识码】Ａ ［文章编￣］１ｏｏ７．１８６５（２０１８）１３－０１２０．０２
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＮａｔｕｒａＩ Ａｉｒ．ｃｏｏｌｅｄ Ｔｕｂｅ Ｂｕｎｄｌｅ Ｒａｄｉａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｕｅｎｔ
Ｌｉｕ Ｊｉａｎｗｅｉ Ｌｕ Ｚｈｉｍｉｎ Ｚｈｕ Ｂｉｎ．Ｗｕ Ａｎｂｉｎｇ．Ｘｕ Ｚｈｉｘｉｕ，Ｗｅｉ Ｆａｎｇｗｅｉ Ｄａｉ Ｊｉｅ，Ｍｅｎｇ Ｙｕａｎｋａｉ
（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｏａｌａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈ．Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６６３．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｒｔ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌ１ｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｂｒｎｌａｎｃｃ ｏｆ ｌｆ ｎａｔｕｌ‘ａｌ ｗｉｎｄ．ｃｏｏｌｅｄ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｌｂｒ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ．ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ
ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｂｌｏｃｋ ｓｉｍｐｌｉｔｑｃａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄｗａｒｄ ｓｕｒｆａｃｅ．ａ ｆｕ１１ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｉｇｈ。ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ．ａｉｒ ｃｏｎｔａｃｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ Ｉ２ｏｒ ｔｈｅ ｌｅｅｗａｒｄ ｓｔｉｒｆａｃｅ．
ｏｎｌｙ ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ¨ｑｕｉｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．ｎｕｍｅｒｉｃａＩ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘａｌｎｉｎｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｌ＂ｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎＩｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｏｆ
ｄｊｆｒｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ．ａｎｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒａＩｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆ Ｆｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｌｉｎｅａｒ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ
ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉＳ ３５。Ｃ．ｔｈｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆｔｈｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｒｅａｃｈｅｓ ５．４２。Ｃ．ｉｆｉｔ ｗａｓ ３８。Ｃ．ｔｈｅ ｔｏｔａＩ ｈｅａｔ ｄｉｆ弛ｒｅｎｃｅ Ｉｓ ４．５３６。Ｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｄｉｓｓｐａｔｉｏｎ：ｔｃｒｎｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｆｅｎｃｅ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
海』－风力发电作为一种可再生的绿包能源，已经 全世界
多国家广泛使ｆ｝１起来，但是我国相对起步较晚，在产品设计、
产能力及散热，，ｊｆ『ｆ都｝ｊ同外有所差距 Ｉ。近年来，随着发电机纰
单机容晕增人，敝热 题越来越成为风力发电技术的关键难题之
·
ｌ ４＿
。
海上风力发电政祷中主要发热三大什，包括齿轮箱、发电箱
和，叟流器。早划【ｌｊ于发热功率较小，热设计方式可以灵活多变，
但总体的原理都足Ａ接采用自然通风即町满足散热需求。而随着
兆瓦级风力技ｌ乜机绀的｝Ｈ现，传统的散热方式已经难以满足散热
需求【 。为了随埘这种需求，目前主流的散热方式为强制风冷和
液冷，其中，刈。， 比较小型的风力发电机组，强制风冷的方式使
用居多，而对＿ｆ散热功率较高的则必须采用液冷的方式才可以满
足散热要求，埘某些极端工况，比如一年ｌ｛］海Ｅ气温较高时，则
采用降容的方式以满足系统的正常运行。
但是目前埘于海上风力发电机组的散热多通过实验验证为
ｊｉ，存在研发成本高、周期长的问题。近年来随着ＣＦＤ软件的发
眨，采用流体仿真软件对物理问题进行建模，发定好合适的边界
条件，然后求解出系统的各物理场，大人降低 研发周期和研发
成本。一种自然风冷管束散热器【 ｊ，即空气 液冷换热器，该换热
ｈ １｝ ··ｆ
图ｌ 自然风冷管束散热器工作原理示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ａｉｒ ｃｏｏｌ ｉｎｇ ｔｕｂｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
器主要是给发电机组进行散热。本文旨在通过ＣＦＤ软件研究该散
热器的性能，为海Ｅ风力发电水冷散热没笛设汁提供参考。
１模型分析及简化
海上风力发电机组工作时产生的热量通过冷却水循环系统进
入密闭式循环管路中，然后通过８个串联往圆筒四周，利用海风
将循环管路中的高温水冷却，实现对海上风力发电机组的散热。
单个散热器山２７排４列３ｌ６Ｌ不锈钢管组成，不锈钢管 １９ ｍｍ，
壁厚１．５ ｍｍ，长６０００ ｍｍ管束上下两端有集水器。如果对整个
模型进行仿真，网格数量太多，计算资源需要人多，此外，实际
使用情况下，海｝ 向是杂乱的，为了能够方便仿真，取一个比
较容易计算的方’向进行仿真，即第一个高温液体入口的自然风冷
管束散热器的正面为入风Ｕ，如图１所示，从图中看出模型分为
正面迎风、射 块侧面迎风、背面自然对流散热、第二块侧面迎
风四块进行分圳仿真．为了减少建模和仿真 Ｉ 作晕，正面迎风和
两个侧面迎风采用吲一迎风模型，背面自然埘流采用单独的无风
模型。按照逆时针方向，Ｅ一个模型仿真出的出口温度作为下‘
个模拟的入【１边 条件，并且对该模型做如Ｆ简化：
（１１认为从集水管束每个口出口的流量是‘敛的，日¨每根不锈
例管束的入口边界条什一致：
（２）背离正面进风方向的两个自然风冷管 ｆ１＝为『Ｊ然对流散
热处理：
（３）为了减少计算，取２７排管束的约１／４进行建馍．高度方向
上取１／３，即．７列管＿柬．２ｍ高为模型：
（４）认为对于同一个自然风冷管束，其每２ ｍ‘段的散热温差
是一致的；
（５）背面自然对流采用对称结构，仅做出模， 的１／２．同时，
为了计算方便，将集水器换成水力直径相同的 形结构。
空气一液换热器实际的流动是非常复杂的， 实际的工程中，
我们常常认为其实湍流模 ，所以本文选择湍流卡；！型进行汁算。
湍流模型分好几种，而在工程中我们一股使ｆ｝Ｊ杯准ｋ一￡方程，该
方程适合完全发展的湍流情况Ｉ 。
２网格划分
恪划分工作ｒ ＣＦＤ仿真Ｔ作的６Ｏ％～８０％的时Ｉ＇０ ，随着
汁算机性能的不断提升以及像ＨＰＣ商性能计 、 台的 现．划分
格就成为了ＣＦＤ的关键技术之一。对于很多的物理模 ，网格
质量商接决定了仿真结果的准确性。采用ＣＦＤＩ 求解就是通过对
于控制方程的在空间上的离散，然后求解离散 的，Ｊ‘ 组，而这
个过程就必须划分网格，Ｆ１前主要是有结构化 格和非结构化网
格，本文巾形状比较规州，采川结构化网格，埙 较高，同时网
格数最相对较少。
划分的结构网格如 ２（ａ１及 ２（ｂ）所／Ｊ ， 格顺
０．６，顷黾较好，能够满足计算要求。
人于
［收稿目期】２０１ ８－０４－ｌ ７
【基金项目］广州ｌｆ 科技计划项目科技人才创新譬项（２（）１７ｌ００１０ｌ８６）
【作者简介］ 刘建伟（１９８５一），男。７ 东连平人，研发主管，本科，主要研究ｈ＂ＩｉｆＪ为新能源发电冷却技术。
２０ Ｊ ８年第｝３期
， 东 化 Ｉ
第４５卷总第３７５期
（ａ）地ｈｌｆ 。 Ｊ化 ｑ｛ （ｈ）＾ Ｊ ｌ侯 。ｉｆ 化 ｑ｝
图２两种模型的结构化网格
Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｇｌ’ｉｄｓ ｏｌ、１ｗｏ ｄｉ Ｉ＇ｌ￣ｌ’ｅｎｔ ｎｌｏｄｅｌｓ
３边界条件
由１ 分为了旧块逊 分圳汁 ，Ｉ㈠ｆｌ 讪 块删ｌｆｌ１迎风
和第：块 叫迎 仪 Ｌ的入ｊ… ’｝ｒ，乓他 致，而 一块
例嘶迎风 ０ Ⅲ＿ｌ 块侧 趔 仪入ｌ ＾ １ 。敢， 他边界祭什
敛．凶ｌＩｔ：Ｊ．￣ 仪 列 ｉｆｌ［：ｉ￣ Ｉ… Ｉ然《ｌ＿流的边界条件， 他
改变 分 部分 扯指Ｉｊ ５ 他 分的边界条什ｔ｛ 的ｔ
循环水入１ ｌ 糸 颧Ｊ ｉＩ Ｉ［ｉ／，ｉ￣ｆ《ｌ儆 的计辩：结果，凶此，
对于背面自然埘流ｎ‘Ｊ入１ １袖 ｌ ｒ１Ｉｊ１‘ｆ 指…，这里／『 罗列 （１）空气
的入ＬＪ边界条什为：入【ｌ
一
谴 ６．５ Ｉｌｌ／Ｓ． Ｊ复３¨．１ ５ Ｋ，入口湍流
强嗖５％，水力疽 ）－Ｊ ｌ６ｉｌｌｎ１．地Ｊ 入ｌ Ｉ：【２）窄气的出ＬＪ乃默认
压力出［］的边 ”：（３）。 Ｃ ｊ“ 蚪水接触 处的边 条什
为：｝ｊ ３Ｉ６Ｌ，＂科参数默认． 』 、／、Ｊ １．５ ｍｉｌｌ，耦合边界 什
选择ｃｏｕｐｌｅ：（４）『 ｌｎｉｉｔ 水 ｒ｛ ｌ：入口遮瞍０．３６８４ ＩＩ１／Ｓ，
温度３２３．１ ５ Ｋ，入Ｉ ｆ湍流强』 ５％，爪／Ｊ ｆ １６ Ｉ１１１１１，述度入
口：（５）高黼 叫：水 Ｉ Ｉ乃默认¨ …ｌ Ｊ 界条什。
背向［Ｊ然利流的边界笊什 ｌ ：（Ｉ１ ’ 】 循环水的入ｌ＿边ｌ捍条
件为：入ｆ １述度０ １ ８８７ ｎｌ／ｓ，入ｌ Ｉ 流 』 ５％，水 随 乃ｌ６
ｍ１１１，速眨入ｆ Ｊ：（２）ｉ￣ｌ Ｊ４、水…【ｌ】为默认¨｛力出口的 条什。
（３） 为ｗａｌｌ，没 时流拽热系数 ｌ０ Ｗ／ｃｍ２，７己滑移，卡寸顷
为３ｌ６Ｌ，Ｊ
一
宁 ｌ ５ ｎｌｎｌ 、（４）求川刈你 ．因为对于此结构为划
称的。
４结果与讨论
由Ｉ冬ｌ ３（ａ）及 ３（ｂ）ｆｉＪ ．刈Ｉｌ Ｉ（ＩＪ 苦，…Ｌｊ处嘶、 温
度为３２２．８３４ Ｋ，返¨逊…¨】的、¨ ， 乃（）．３１ ６ Ｋ。 向迎风处
实际仃两个 独的『＿然 冷Ｉ＿’ ．竹 Ｋ Ｊ为模型的３倍，由ｊ：
前后 个管 比较赴．迈ｆｔｇ，Ｉ］￣ｊ ｝Ｉｌ竹 敞热能力损托，可以
认为前后两 ’为‘１＼ｌ！ｍ 的人的『ｊ然 冷管束，然后按照＂始
的ｆｆｊ波，叮以认 嘶 ｍ ｎ的ｆｉ｛（热 址一样的．那么Ｊ Ｉ 迎
风的总的散热温差乃１．８９６ Ｋ， 幺总的…１ ｌ １、Ｆ均温吱可以认为足
３２ｌ ２５４ Ｋ Ｈ口将３２１．２５４ Ｋ 乃 块川 迎风的进风温度。
图３正面迎风模型的温度分布和速度矢量分布
如 ４（ａ）及 ４（ｂ） ．埘 块删面迎风，从倒叫入风
后，迎 的前；Ｌ｛ｑｌ竹 …【＿ 瞍 埘Ｊ ｒ 几排温嗖较低，这是
因为前排铃柬后部形成涡旋， ｔ迎Ｊｌ＝｛＝阶 ，空气温度升高，这
样导致后 的管 十Ｉ¨划ｌ 投热效粜没仃Ｉ讨排的好，后而儿排的
散热温年相荠／ｆ 大。就总ｆ４、 ｉ ｉ，ｊ｝｛Ｉ １处ｆ 均温嫂 ３２１．０５ Ｋ，
平均温差为ｏ．２０４ Ｋ，川 ，掖 ㈠ 的，Ｊ』 ，侧面迎 的总的敞
热温等为１．２２４ Ｋ，这样总的…【ｌ】、 均 嫂 ３２０．０３ Ｋ。此温度作
为背面自然对流的入Ｉ］ Ｊ ｒ｛ ｌ
ａＩｆｉ！ｌｊｉ“１ｌｊ ｈｔ．ｆ旗’ ｎ ｉ Ｊ ‘ ｒＩ Ｊ （ｂ）ｔｉｇＪ ｌ迎Ｊ‘ｌ模 ｉ＇ｌ￣ｊ述ｆ篮’ ‘，，
图．１侧面迎风模型的温度分布和速度矢量分布
川 Ｉｆ
Ｉｌ＂…的入
ｆ 尔， ｌ Ｉ的
、 ｌ均 心乃 ３ｌ ９ｌ８８ｌ Ｋ，、 ｛均 Ｊ－ｓ ０．１４９ Ｋ，从
ｉｌ ＪｌＩ』以行…，
利 ｉＩ ｌ＇ｉｌ…Ｊ
．
ｊ换热设串很低，返足 Ｉ为ｎ－－尢』扎的
仑卜，『ｌ然Ｊ砜
冷竹 …
的对流授热系数非常低，。 气的 热订邑
Ｊ 受刘 ｌ！
姻Ｉ 仆ｆｃ
这 加｝ 风饥进 圳刈流 热，
仃比 灯的
“妓
（ Ｉ）＾：Ｊｘ¨ｃｌ 的舭Ｊ 分 （ｂ）尤』扎 的速Ｊ篮父 分ｆ
图５无风模型的温度分布和速度矢量分布
掖 Ｊ Ｉ［１ｉ（１１Ｊ汁钾．，将入水温度带入蒴 块侧面的段型 ｌ１．¨１
］ 拈 ¨奠场４：１Ｉ流场分ｎ ｆＩＩ第‘块 面的慎 ’致，因此，这 仪给
出『』』 钟 ＾ ，、１ 均…ｌ Ｉ濉度３１９．７ Ｋ，、｝‘均温 为０．１８１ Ｋ，
返仟撖 ｝ ｉｆｉｍ 弹，Ｊ浊，总温差为１．０８６ Ｋ。卡『］对于第 块删ｉｌｆ
的 Ｉ ，吼．块州 的站 ｊ 较小， 足凶 过第‘块例伯ｆ，ｌｆ
ｒＩ然刈流倾热，进入吼．块侧＿曲的温 降低，因此换热效 降
，
以 警； 小
Ｊ 以， ｉ．外 叫、ｊ‘虹 Ｉ ７ｌ＝１．为３２３．１ ５ Ｋ，日１ Ｊ ３８ Ｃ的卡埂ｌ Ｋ１，： １１ ｊ
况卜，板｝｛ｉ｛ 述的『『Ｊ ｉ ，整个自然肌冷管ｌ求的敞热总温差为
４．５３６℃
、。ｊ蚪境 为３５ ℃， ｊ地海面【 常年限Ｉ 的极限温瞍ｃＪ、ｆ，
仪 境 Ｊ ．十矗 的 十算方 ， 繁个自然 冷管 的
热总； 幕 ５．４２℃
热功率‘ 梭ｆ 公代汁算：
。。。，，？ｃｉ （ ｌｒ ，） （１）
ｌ１ｌｔ，ｐ址敞热ＪＪＪ肆：，，， 是物体的埙 ，Ｇ 是物ｆ书的比热容，
，
址，；；ｌ Ｔｌｉｔ，衔Ｊ１’水 入爪 瞍， ，足闩然风冷管柬的敞热总ｍ菱。
核 ｝ 述公 汁＂， １ 境温度为３８℃时，帑个一然Ｊ ｌ冷
的敞，４４；￣ＳＤ半 ｌ ５２．４ ｋＷ，为 保 系统正常埏 ，可以通、。１
的 锌他川：、 『 境７，ｊ ３５℃日ｌｆ，散热功率达剑１ ８２ ｋＷ， 】／１ 个
人 分运 ＩＩ．『Ｉ系统ｉ－Ｊ以ＩＩ：常运仃。
５结束语
小之逊过 的分 ，将久型的仿 题 化成彩１、ｊ：１【】Ｊ题，
运Ｊ｝］Ｆｌｕｅｎｔ软 ， Ｊ１１ｆ ，对自然风冷管束散热器进 仍
通过ｆ『Ｊ …绷Ｉ ｌ ：（１） 环境温』复为３５℃时，宋ｆ｛ｊ『ｊ
然Ｊ扎冷请 敝热器 热 能达到５．４２℃，敞热功率哒驯ｌ ８２
ｋＷ：（２） 纠 境活，Ｉ嗖 撇 温度即３８℃时， 川门然 冷 ’
散热器 热温 仪能 列４．５３６℃，敞热功率达剑１ ５２．４ ｋＷ，系
统斋嫂降容他Ｈ Ｊ。 川１仿 ，不仅能够降低设汁ｔ成本，降ｆｌ（发汁ｔ
圈期，问ｌｌ，Ｊ能够为人 、Ｊ‘ 海｝ 风力技电散热设备的仿 提供
参学。
广
１ ｌ４
东化工
２０１８年第１３期
第４５卷总第３７５期
ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ
０
图ｌｌ供试品高温破坏色谱图
Ｆｉｇ．１ １ Ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ—ｄａｍａｇｅｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｍ
ｕＡＵ
２０００００
ｌ５０Ｏｏｏ
ｌ００００ｏ
５０００Ｏ
Ｏ
５００００
图ｌ２供试品光照破坏色谱图
Ｆｉｇ．１ ２ Ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ－ｄａｍａｇｅｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｍ
５讨论
英国药典２０１７１１］和原进品药品注册标准Ｊｘ２ＯＯ９００３０［３ 顶铂
注射液中顺铂、反铂和三氯氨铂的测定均采用三种不同的色谱系
统，己知杂质反铂采用反铂对照品以外标法测定，三氯氨铂采用
三氯氨铂对照品以外标法测定，试验繁琐，耗时长。本方法采用
同一色谱系统，己知杂质与２％ｊＦＩ￣铂对照品溶液比较，以外标法
并除以相应杂质的响应因子计算，结果准确，重现性好，试验操
作简单快捷。可作为顺铂注射液质量标准中含量和有关物质的测
定方法。
参考文献
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基于Ｆｌｕｅｎｔ的自然风冷管束散热器的仿真分析
刘建伟，卢志敏，朱冰，吴安兵，许治修，魏芳伟，代杰，蒙元楷
（广州Ｉ舟澜 能披术股份有限公 ｑ节能研宄院，广东广州５１０６６３）
［摘要】为ｌ『研究一种海上风力发电机组的自然风冷管束散热器的散热性能，对实际模型进行分块简化计算，对于迎风面，建立高温液体与
空气接触的全模型．对于背风面．仅建立高温液体模型，采用数值模拟，通过考察不同模型的进出口温差，采用线性叠加的方式．计算出该敏
热器的总体温差，结果表明：在外部环境温度为３５℃时，该散热器的散热温差达到５．４２℃，而３８℃时，散热总温差为４．５３６℃。
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［中图分类号】ＴＱ ［文献标识码】Ａ ［文章编￣］１ｏｏ７．１８６５（２０１８）１３－０１２０．０２
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＮａｔｕｒａＩ Ａｉｒ．ｃｏｏｌｅｄ Ｔｕｂｅ Ｂｕｎｄｌｅ Ｒａｄｉａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｕｅｎｔ
Ｌｉｕ Ｊｉａｎｗｅｉ Ｌｕ Ｚｈｉｍｉｎ Ｚｈｕ Ｂｉｎ．Ｗｕ Ａｎｂｉｎｇ．Ｘｕ Ｚｈｉｘｉｕ，Ｗｅｉ Ｆａｎｇｗｅｉ Ｄａｉ Ｊｉｅ，Ｍｅｎｇ Ｙｕａｎｋａｉ
（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｏａｌａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈ．Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６６３．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｒｔ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌ１ｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｂｒｎｌａｎｃｃ ｏｆ ｌｆ ｎａｔｕｌ‘ａｌ ｗｉｎｄ．ｃｏｏｌｅｄ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｌｂｒ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ．ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ
ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｂｌｏｃｋ ｓｉｍｐｌｉｔｑｃａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄｗａｒｄ ｓｕｒｆａｃｅ．ａ ｆｕ１１ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｉｇｈ。ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ．ａｉｒ ｃｏｎｔａｃｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ Ｉ２ｏｒ ｔｈｅ ｌｅｅｗａｒｄ ｓｔｉｒｆａｃｅ．
ｏｎｌｙ ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ¨ｑｕｉｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．ｎｕｍｅｒｉｃａＩ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘａｌｎｉｎｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｌ＂ｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎＩｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｏｆ
ｄｊｆｒｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ．ａｎｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒａＩｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆ Ｆｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｌｉｎｅａｒ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ
ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉＳ ３５。Ｃ．ｔｈｅ ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆｔｈｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｒｅａｃｈｅｓ ５．４２。Ｃ．ｉｆｉｔ ｗａｓ ３８。Ｃ．ｔｈｅ ｔｏｔａＩ ｈｅａｔ ｄｉｆ弛ｒｅｎｃｅ Ｉｓ ４．５３６。Ｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｄｉｓｓｐａｔｉｏｎ：ｔｃｒｎｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｆｅｎｃｅ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
海』－风力发电作为一种可再生的绿包能源，已经 全世界
多国家广泛使ｆ｝１起来，但是我国相对起步较晚，在产品设计、
产能力及散热，，ｊｆ『ｆ都｝ｊ同外有所差距 Ｉ。近年来，随着发电机纰
单机容晕增人，敝热 题越来越成为风力发电技术的关键难题之
·
ｌ ４＿
。
海上风力发电政祷中主要发热三大什，包括齿轮箱、发电箱
和，叟流器。早划【ｌｊ于发热功率较小，热设计方式可以灵活多变，
但总体的原理都足Ａ接采用自然通风即町满足散热需求。而随着
兆瓦级风力技ｌ乜机绀的｝Ｈ现，传统的散热方式已经难以满足散热
需求【 。为了随埘这种需求，目前主流的散热方式为强制风冷和
液冷，其中，刈。， 比较小型的风力发电机组，强制风冷的方式使
用居多，而对＿ｆ散热功率较高的则必须采用液冷的方式才可以满
足散热要求，埘某些极端工况，比如一年ｌ｛］海Ｅ气温较高时，则
采用降容的方式以满足系统的正常运行。
但是目前埘于海上风力发电机组的散热多通过实验验证为
ｊｉ，存在研发成本高、周期长的问题。近年来随着ＣＦＤ软件的发
眨，采用流体仿真软件对物理问题进行建模，发定好合适的边界
条件，然后求解出系统的各物理场，大人降低 研发周期和研发
成本。一种自然风冷管束散热器【 ｊ，即空气 液冷换热器，该换热
ｈ １｝ ··ｆ
图ｌ 自然风冷管束散热器工作原理示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ａｉｒ ｃｏｏｌ ｉｎｇ ｔｕｂｅ ｒａｄｉａｔｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
器主要是给发电机组进行散热。本文旨在通过ＣＦＤ软件研究该散
热器的性能，为海Ｅ风力发电水冷散热没笛设汁提供参考。
１模型分析及简化
海上风力发电机组工作时产生的热量通过冷却水循环系统进
入密闭式循环管路中，然后通过８个串联往圆筒四周，利用海风
将循环管路中的高温水冷却，实现对海上风力发电机组的散热。
单个散热器山２７排４列３ｌ６Ｌ不锈钢管组成，不锈钢管 １９ ｍｍ，
壁厚１．５ ｍｍ，长６０００ ｍｍ管束上下两端有集水器。如果对整个
模型进行仿真，网格数量太多，计算资源需要人多，此外，实际
使用情况下，海｝ 向是杂乱的，为了能够方便仿真，取一个比
较容易计算的方’向进行仿真，即第一个高温液体入口的自然风冷
管束散热器的正面为入风Ｕ，如图１所示，从图中看出模型分为
正面迎风、射 块侧面迎风、背面自然对流散热、第二块侧面迎
风四块进行分圳仿真．为了减少建模和仿真 Ｉ 作晕，正面迎风和
两个侧面迎风采用吲一迎风模型，背面自然埘流采用单独的无风
模型。按照逆时针方向，Ｅ一个模型仿真出的出口温度作为下‘
个模拟的入【１边 条件，并且对该模型做如Ｆ简化：
（１１认为从集水管束每个口出口的流量是‘敛的，日¨每根不锈
例管束的入口边界条什一致：
（２）背离正面进风方向的两个自然风冷管 ｆ１＝为『Ｊ然对流散
热处理：
（３）为了减少计算，取２７排管束的约１／４进行建馍．高度方向
上取１／３，即．７列管＿柬．２ｍ高为模型：
（４）认为对于同一个自然风冷管束，其每２ ｍ‘段的散热温差
是一致的；
（５）背面自然对流采用对称结构，仅做出模， 的１／２．同时，
为了计算方便，将集水器换成水力直径相同的 形结构。
空气一液换热器实际的流动是非常复杂的， 实际的工程中，
我们常常认为其实湍流模 ，所以本文选择湍流卡；！型进行汁算。
湍流模型分好几种，而在工程中我们一股使ｆ｝Ｊ杯准ｋ一￡方程，该
方程适合完全发展的湍流情况Ｉ 。
２网格划分
恪划分工作ｒ ＣＦＤ仿真Ｔ作的６Ｏ％～８０％的时Ｉ＇０ ，随着
汁算机性能的不断提升以及像ＨＰＣ商性能计 、 台的 现．划分
格就成为了ＣＦＤ的关键技术之一。对于很多的物理模 ，网格
质量商接决定了仿真结果的准确性。采用ＣＦＤＩ 求解就是通过对
于控制方程的在空间上的离散，然后求解离散 的，Ｊ‘ 组，而这
个过程就必须划分网格，Ｆ１前主要是有结构化 格和非结构化网
格，本文巾形状比较规州，采川结构化网格，埙 较高，同时网
格数最相对较少。
划分的结构网格如 ２（ａ１及 ２（ｂ）所／Ｊ ， 格顺
０．６，顷黾较好，能够满足计算要求。
人于
［收稿目期】２０１ ８－０４－ｌ ７
【基金项目］广州ｌｆ 科技计划项目科技人才创新譬项（２（）１７ｌ００１０ｌ８６）
【作者简介］ 刘建伟（１９８５一），男。７ 东连平人，研发主管，本科，主要研究ｈ＂ＩｉｆＪ为新能源发电冷却技术。
２０ Ｊ ８年第｝３期
， 东 化 Ｉ
第４５卷总第３７５期
（ａ）地ｈｌｆ 。 Ｊ化 ｑ｛ （ｈ）＾ Ｊ ｌ侯 。ｉｆ 化 ｑ｝
图２两种模型的结构化网格
Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｇｌ’ｉｄｓ ｏｌ、１ｗｏ ｄｉ Ｉ＇ｌ￣ｌ’ｅｎｔ ｎｌｏｄｅｌｓ
３边界条件
由１ 分为了旧块逊 分圳汁 ，Ｉ㈠ｆｌ 讪 块删ｌｆｌ１迎风
和第：块 叫迎 仪 Ｌ的入ｊ… ’｝ｒ，乓他 致，而 一块
例嘶迎风 ０ Ⅲ＿ｌ 块侧 趔 仪入ｌ ＾ １ 。敢， 他边界祭什
敛．凶ｌＩｔ：Ｊ．￣ 仪 列 ｉｆｌ［：ｉ￣ Ｉ… Ｉ然《ｌ＿流的边界条件， 他
改变 分 部分 扯指Ｉｊ ５ 他 分的边界条什ｔ｛ 的ｔ
循环水入１ ｌ 糸 颧Ｊ ｉＩ Ｉ［ｉ／，ｉ￣ｆ《ｌ儆 的计辩：结果，凶此，
对于背面自然埘流ｎ‘Ｊ入１ １袖 ｌ ｒ１Ｉｊ１‘ｆ 指…，这里／『 罗列 （１）空气
的入ＬＪ边界条什为：入【ｌ
一
谴 ６．５ Ｉｌｌ／Ｓ． Ｊ复３¨．１ ５ Ｋ，入口湍流
强嗖５％，水力疽 ）－Ｊ ｌ６ｉｌｌｎ１．地Ｊ 入ｌ Ｉ：【２）窄气的出ＬＪ乃默认
压力出［］的边 ”：（３）。 Ｃ ｊ“ 蚪水接触 处的边 条什
为：｝ｊ ３Ｉ６Ｌ，＂科参数默认． 』 、／、Ｊ １．５ ｍｉｌｌ，耦合边界 什
选择ｃｏｕｐｌｅ：（４）『 ｌｎｉｉｔ 水 ｒ｛ ｌ：入口遮瞍０．３６８４ ＩＩ１／Ｓ，
温度３２３．１ ５ Ｋ，入Ｉ ｆ湍流强』 ５％，爪／Ｊ ｆ １６ Ｉ１１１１１，述度入
口：（５）高黼 叫：水 Ｉ Ｉ乃默认¨ …ｌ Ｊ 界条什。
背向［Ｊ然利流的边界笊什 ｌ ：（Ｉ１ ’ 】 循环水的入ｌ＿边ｌ捍条
件为：入ｆ １述度０ １ ８８７ ｎｌ／ｓ，入ｌ Ｉ 流 』 ５％，水 随 乃ｌ６
ｍ１１１，速眨入ｆ Ｊ：（２）ｉ￣ｌ Ｊ４、水…【ｌ】为默认¨｛力出口的 条什。
（３） 为ｗａｌｌ，没 时流拽热系数 ｌ０ Ｗ／ｃｍ２，７己滑移，卡寸顷
为３ｌ６Ｌ，Ｊ
一
宁 ｌ ５ ｎｌｎｌ 、（４）求川刈你 ．因为对于此结构为划
称的。
４结果与讨论
由Ｉ冬ｌ ３（ａ）及 ３（ｂ）ｆｉＪ ．刈Ｉｌ Ｉ（ＩＪ 苦，…Ｌｊ处嘶、 温
度为３２２．８３４ Ｋ，返¨逊…¨】的、¨ ， 乃（）．３１ ６ Ｋ。 向迎风处
实际仃两个 独的『＿然 冷Ｉ＿’ ．竹 Ｋ Ｊ为模型的３倍，由ｊ：
前后 个管 比较赴．迈ｆｔｇ，Ｉ］￣ｊ ｝Ｉｌ竹 敞热能力损托，可以
认为前后两 ’为‘１＼ｌ！ｍ 的人的『ｊ然 冷管束，然后按照＂始
的ｆｆｊ波，叮以认 嘶 ｍ ｎ的ｆｉ｛（热 址一样的．那么Ｊ Ｉ 迎
风的总的散热温差乃１．８９６ Ｋ， 幺总的…１ ｌ １、Ｆ均温吱可以认为足
３２ｌ ２５４ Ｋ Ｈ口将３２１．２５４ Ｋ 乃 块川 迎风的进风温度。
图３正面迎风模型的温度分布和速度矢量分布
如 ４（ａ）及 ４（ｂ） ．埘 块删面迎风，从倒叫入风
后，迎 的前；Ｌ｛ｑｌ竹 …【＿ 瞍 埘Ｊ ｒ 几排温嗖较低，这是
因为前排铃柬后部形成涡旋， ｔ迎Ｊｌ＝｛＝阶 ，空气温度升高，这
样导致后 的管 十Ｉ¨划ｌ 投热效粜没仃Ｉ讨排的好，后而儿排的
散热温年相荠／ｆ 大。就总ｆ４、 ｉ ｉ，ｊ｝｛Ｉ １处ｆ 均温嫂 ３２１．０５ Ｋ，
平均温差为ｏ．２０４ Ｋ，川 ，掖 ㈠ 的，Ｊ』 ，侧面迎 的总的敞
热温等为１．２２４ Ｋ，这样总的…【ｌ】、 均 嫂 ３２０．０３ Ｋ。此温度作
为背面自然对流的入Ｉ］ Ｊ ｒ｛ ｌ
ａＩｆｉ！ｌｊｉ“１ｌｊ ｈｔ．ｆ旗’ ｎ ｉ Ｊ ‘ ｒＩ Ｊ （ｂ）ｔｉｇＪ ｌ迎Ｊ‘ｌ模 ｉ＇ｌ￣ｊ述ｆ篮’ ‘，，
图．１侧面迎风模型的温度分布和速度矢量分布
川 Ｉｆ
Ｉｌ＂…的入
ｆ 尔， ｌ Ｉ的
、 ｌ均 心乃 ３ｌ ９ｌ８８ｌ Ｋ，、 ｛均 Ｊ－ｓ ０．１４９ Ｋ，从
ｉｌ ＪｌＩ』以行…，
利 ｉＩ ｌ＇ｉｌ…Ｊ
．
ｊ换热设串很低，返足 Ｉ为ｎ－－尢』扎的
仑卜，『ｌ然Ｊ砜
冷竹 …
的对流授热系数非常低，。 气的 热订邑
Ｊ 受刘 ｌ！
姻Ｉ 仆ｆｃ
这 加｝ 风饥进 圳刈流 热，
仃比 灯的
“妓
（ Ｉ）＾：Ｊｘ¨ｃｌ 的舭Ｊ 分 （ｂ）尤』扎 的速Ｊ篮父 分ｆ
图５无风模型的温度分布和速度矢量分布
掖 Ｊ Ｉ［１ｉ（１１Ｊ汁钾．，将入水温度带入蒴 块侧面的段型 ｌ１．¨１
］ 拈 ¨奠场４：１Ｉ流场分ｎ ｆＩＩ第‘块 面的慎 ’致，因此，这 仪给
出『』』 钟 ＾ ，、１ 均…ｌ Ｉ濉度３１９．７ Ｋ，、｝‘均温 为０．１８１ Ｋ，
返仟撖 ｝ ｉｆｉｍ 弹，Ｊ浊，总温差为１．０８６ Ｋ。卡『］对于第 块删ｉｌｆ
的 Ｉ ，吼．块州 的站 ｊ 较小， 足凶 过第‘块例伯ｆ，ｌｆ
ｒＩ然刈流倾热，进入吼．块侧＿曲的温 降低，因此换热效 降
，
以 警； 小
Ｊ 以， ｉ．外 叫、ｊ‘虹 Ｉ ７ｌ＝１．为３２３．１ ５ Ｋ，日１ Ｊ ３８ Ｃ的卡埂ｌ Ｋ１，： １１ ｊ
况卜，板｝｛ｉ｛ 述的『『Ｊ ｉ ，整个自然肌冷管ｌ求的敞热总温差为
４．５３６℃
、。ｊ蚪境 为３５ ℃， ｊ地海面【 常年限Ｉ 的极限温瞍ｃＪ、ｆ，
仪 境 Ｊ ．十矗 的 十算方 ， 繁个自然 冷管 的
热总； 幕 ５．４２℃
热功率‘ 梭ｆ 公代汁算：
。。。，，？ｃｉ （ ｌｒ ，） （１）
ｌ１ｌｔ，ｐ址敞热ＪＪＪ肆：，，， 是物体的埙 ，Ｇ 是物ｆ书的比热容，
，
址，；；ｌ Ｔｌｉｔ，衔Ｊ１’水 入爪 瞍， ，足闩然风冷管柬的敞热总ｍ菱。
核 ｝ 述公 汁＂， １ 境温度为３８℃时，帑个一然Ｊ ｌ冷
的敞，４４；￣ＳＤ半 ｌ ５２．４ ｋＷ，为 保 系统正常埏 ，可以通、。１
的 锌他川：、 『 境７，ｊ ３５℃日ｌｆ，散热功率达剑１ ８２ ｋＷ， 】／１ 个
人 分运 ＩＩ．『Ｉ系统ｉ－Ｊ以ＩＩ：常运仃。
５结束语
小之逊过 的分 ，将久型的仿 题 化成彩１、ｊ：１【】Ｊ题，
运Ｊ｝］Ｆｌｕｅｎｔ软 ， Ｊ１１ｆ ，对自然风冷管束散热器进 仍
通过ｆ『Ｊ …绷Ｉ ｌ ：（１） 环境温』复为３５℃时，宋ｆ｛ｊ『ｊ
然Ｊ扎冷请 敝热器 热 能达到５．４２℃，敞热功率哒驯ｌ ８２
ｋＷ：（２） 纠 境活，Ｉ嗖 撇 温度即３８℃时， 川门然 冷 ’
散热器 热温 仪能 列４．５３６℃，敞热功率达剑１ ５２．４ ｋＷ，系
统斋嫂降容他Ｈ Ｊ。 川１仿 ，不仅能够降低设汁ｔ成本，降ｆｌ（发汁ｔ
圈期，问ｌｌ，Ｊ能够为人 、Ｊ‘ 海｝ 风力技电散热设备的仿 提供
参学。
广
１ ｌ４
东化工
２０１８年第１３期
第４５卷总第３７５期
ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ
０
图ｌｌ供试品高温破坏色谱图
Ｆｉｇ．１ １ Ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ—ｄａｍａｇｅｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｍ
ｕＡＵ
２０００００
ｌ５０Ｏｏｏ
ｌ００００ｏ
５０００Ｏ
Ｏ
５００００
图ｌ２供试品光照破坏色谱图
Ｆｉｇ．１ ２ Ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ－ｄａｍａｇｅｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｍ
５讨论
英国药典２０１７１１］和原进品药品注册标准Ｊｘ２ＯＯ９００３０［３ 顶铂
注射液中顺铂、反铂和三氯氨铂的测定均采用三种不同的色谱系
统，己知杂质反铂采用反铂对照品以外标法测定，三氯氨铂采用
三氯氨铂对照品以外标法测定，试验繁琐，耗时长。本方法采用
同一色谱系统，己知杂质与２％ｊＦＩ￣铂对照品溶液比较，以外标法
并除以相应杂质的响应因子计算，结果准确，重现性好，试验操
作简单快捷。可作为顺铂注射液质量标准中含量和有关物质的测
定方法。
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一 ＿
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１２０－１ ２１）