大赛获奖作品 | 间接蒸发冷却传热数值模拟与实验对比（企业组）

作者：韩朋飞 | 特灵空调系统（中国）有限公司

作品类型：文本

作品名称：间接蒸发冷却传热数值模拟与实验对比

入选理由：文章采用实验和CFD模拟的对比，文中采用DDPM方法结合蒸发模型，对间接蒸发冷却换热过程进行了建模和验证，模拟方法上具有一定的创新度，并且与实验进行了对比，对实际的生产设计具有指导意义。

内容简介：计算中心或数据存储中心空调系统约占总能耗的40%，提高空调能效是一种降低能耗的有效方法。间接蒸发冷却换热，可以在几乎不增加能耗的前提下，大大提高空调能效。但间接蒸发冷却换热，受到布水、风向和重力等复杂因素的影响，难以快速得到具体情况下较优的设计。本文对比了间接蒸发冷却换热数值模拟和实验的数据，结果显示数值模拟可以比较准确的预测间接蒸发冷却的湿模式换热效率，本文工况误差在±15%以内。二次空气侧不同流向带来的影响，其变化趋势也和实验一致，证明了本文方法可以用于指导间接蒸发冷却的设计，寻找较优的设计方案。

随着人工智能和虚拟现实的飞速发展，其在第四次工业革命中扮演着越来越重要的角色，而它们需要巨量的计算资源，因此在全世界范围内也催生了一大批计算中心的建立。同时，信息化的高度发展带来的海量数据，也对数据存储中心有着巨大的需求，尤其出于数据安全的考虑，一般存储数据都会有几个分布在不同地方的冗余备份。这些庞大的计算中心或数据存储中心有巨大的散热需求，均会配备大型空调机组持续进行实时温度调控。空调系统是数据中心提高能源效率的重点环节，其功耗约占数据中心总功耗的40%^[1]。间接蒸发冷却(Indirect Evaporative Cooling)利用水自然蒸发的相变换热，可以极大的提高空调系统的能效，为计算中心或数据存储中心的节能减排提供强有力的支持^[2-5]。

间接蒸发冷却的关键是换热芯，而换热芯湿模式下水侧的设计是最重要的环节。通道表面的布水方式有多种，影响也较大，且同整个系统的结构形式相关，不能一概而论，如一些研究显示逆流方式较好^[6]，但另一些研究却显示顺流方式较好^[7]。二/一次风量比在乌鲁 木齐、西安、南京工况下的最佳比例在1.4左右^[8]，也同环境因素相关。换热芯的表面材料，在具有亲水属性时，有利于提高水膜分布的均匀性，提升湿模式换热效率^[9]。由此可见，这些复杂的影响因素，对间接蒸发冷却空调系统的设计提出了极大的挑战。

为了能够综合考虑上述复杂的因素，采用计算流体力学对间接蒸发冷却过程进行模拟是一种较好的方法。但是，目前在此方面的研究还不多^[10-15]，并且都不考虑水膜的影响，如分布均匀性、厚度和热阻等。因此本文尝试采用拉格朗日颗粒追踪方法来对喷雾布水的间接蒸发冷却换热芯通道间的换热进行数值模拟，尝试考虑水膜的影响，并同实验数据进行对比，验证数值模拟结果的准确性，为今后数值模拟在间接蒸发冷却空调系统中的应用提供帮助。

为了研究间接蒸发冷却二次空气侧在湿模式下不同空气流向的湿模式换热效率差异，搭建了如图 1的实验样机，图 1(a)是样机的主体；图 1(b)是二次空气侧的喷嘴布水系统，喷嘴布置在样机换热芯二次空气侧的顶部100mm处。二次空气侧的空气，可以沿着重力方向，从喷嘴处向下流动流入换热芯，为风水同向流动；也可以逆着重力方向，从底部向上流动，从喷嘴出流出换热芯，为风水反向流动；图 1(c)是风水同向布置的照片。

        (a)                 (b)                     (c)

 图 1 实验样机

样机所使用的设备参数如表1所示。

表 1 样机参数

测试中，一次空气和二次空气侧的风量，均采用风洞调节。样机安装于外室焓差台，一次空气通过内室焓差台风管进入样机换热芯，在换热芯内部被外室二次空气侧低温空气蒸发冷却后，回到内室。换热芯排出的一次空气，经焓差台处理后保持设定的温湿度参数输送到样机的风洞，二次空气直接排大气。

实验中，对空气的温度、压强、喷嘴的水流量等进行了测量，实验室传感器清单和精度见表2。

表 2测量仪器参数

模型简化

为了减少计算量，换热芯取一对通道的一半计算，换热芯上方的和下方的风道，取四分之一计算，一列喷嘴的安装面和整个机组的中心面分别作为对称面，具体如图2所示。换热芯进出的风道，没有设置为换热芯一个通道的宽度，是为了将喷嘴包含进计算域内，方便在模拟中设置喷嘴喷雾参数，并且更容易和实际中的情况保持一致。通道外换热芯横截面其它部分对应，设置为速度入口或出口边界，使得通过换热芯风道的风量，等于半个风道的平均风量。风道在换热芯外的长度，一次空气侧进出口各0.5m，二次空气侧进出口各1m。喷嘴布置在换热芯上方0.1m处，在换热芯的宽度方向上均匀布置两排，每排在长度方向上均匀布置5个。

图 2. 数值模拟计算域

边界条件及设置

本文采用FLUENT2022R2进行数值模拟，模拟为瞬态计算，湍流采用k-ω SST模型。为了考虑空气湿度对计算的影响，使用组分输运模型计算，空气的组分为一次侧空气、二次侧空气和水蒸气。一/二次空气侧进口参数如表3所示，出口均设置为0 Pa的压力出口，回流参数均和该侧入口的空气参数保持一致。机组的外壁面在实验中均贴有保温棉，因此设置为绝热，但其厚度设置为和真实壁面厚度一致，为2mm。

表 3 一/二次空气侧参数

液滴使用DDPM(Dense Discrete Phase Model)方法模拟，喷嘴为实心锥形喷嘴，沿重力方向竖直向下喷射，喷射角度为120°。由于喷嘴位于对称面上，所以喷嘴周向只有一半的液滴喷射于计算域内。喷射的液滴的直径采用Rosin-Rammler分布，参考了吴正人等^[16]的粒径范围，参数确定如表 4所示。

表 4 液滴直径分布参数

液滴在二次空气侧的风道的壁面上设置为捕捉边界；在换热芯的一/二次空气侧的通道换热面上，设置为液膜边界；在二次空气侧的出口，设置为逃逸边界。液滴的材料设置为水，使用基于浓度扩散的液滴蒸发模型考虑蒸发换热，不考虑冷凝。根据文献里的实验数据和模拟的对比^[17]，略微调整了浓度扩散的蒸发参数，具体见表 5。

表 5 液滴蒸发参数

数值模拟先计算干模式纯气相，待流动和换热稳定后，再开始发射液滴，一直计算到液膜覆盖到整个换热芯的表面上并达到稳定一段时间。压力速度耦合采用SIMPLE算法，空间离散格式为一阶迎风格式，时间离散采用有界的一阶隐式格式。时间步长为0.002 s，随后增大到0.025 s。计算结果在不同密度的网格上进行了对比，确保获得的结果为网格无关解。

间接蒸发冷却湿模式的换热效率，定义如下：

模拟得到的二次空气侧风水同向和反向的湿模式换热效率对比如图 3所示。风水同向的实验测量湿模式换热效率为70.3%，模拟值为62.7%，相对误差为-10.8%。风水反向的实验测量湿模式换热效率为63.4%，模拟值为58.4%，相对误差为-7.8%。两个模拟结果均和实验相比是偏小，其原因应该是换热芯壁面3D模型的简化引起的。实际换热芯壁面的结构有一些细微的强化换热结构，考虑到这些细微的结构会极大的增加网格数量，使得计算在已有的计算资源下不具有可行性，所以在数值模拟中并未考虑，使用平面来代替。从结果对比上看，忽略这些结构，并未带来很大的误差，主要是因为空气和水膜换热，此处的换热热阻是较大的，而水膜由于本身远大于空气的导热系数，和壁面的换热热阻并不大，因此强化换热结构的忽略，带来的误差就比较小了。

图 3 湿模式换热效率实验与模拟对比

间接蒸发冷却换热的出口干球温度模拟和实验的对比如图 4所示。实验显示，风水同向的一次空气侧的出口温度为21.7 ℃，风水反向的一次空气侧的出口温度为23.3 ℃，风水同向的一次空气降低了1.6 ℃。模拟结果显示的一次空气侧的温度变化，风水同向的温度比风水反向的温度降低了1.0 ℃。相同的，二次空气侧的出口温度，风水同向比风水反向升高，实验和模拟的差值分别为1.8 ℃和2.2 ℃。由此可见，数值模拟结果可以反映二次空气侧风和水的流向带来的差异，并且具有相当的准确度。

前面提到，因为受到诸多因素的影响，风和水的流向，在不同结构下会有不同的较优布置。经过模拟方法的验证，就可以通过数值模拟结果，来指导机组结构下风和水流向的布置，能够节省大量的实验资源。

图 4 换热芯出口温度实验与模拟对比

图 5显示了二次空气侧空气温度在换热芯风道内的分布云图。从高温区的分布面积上来看，风水同向直观上，中间的换热芯对应的截面，高温区的面积明显小于风水反向的布置。在换热芯通道的入口处，风水反向的云图显示了大梯度的温度的阶跃。

(a)风水反向                                  (b)风水同向

图 5 二次空气侧空气温度在换热芯风道内分布云图

在同样位置截面上的相对湿度云图见图 6，可以看出温度分布阶跃的原因是二次空气在流出换热芯通道后，没有热源吸热，在喷嘴喷雾蒸发吸热的情况下，迅速降温达到了饱和状态，所以图 6相对湿度在相似的位置也存在和温度一致的阶跃。图 6(a)上部出口附近存在一些回流，但回流位置较远，不影响换热芯附近的流动换热。但是，统计出口温度会受到回流的影响，因此在换热芯出口附近做切面统计二次空气侧出口温度。图 6(b)换热芯出口后的风道壁面处存在一些温度和湿度的变化，主要是由于液滴在壁面蒸发后引起的温度和湿度变化。

换热芯表面上水膜厚度随时间的变化如图 8所示。可以看出，喷嘴喷雾的水膜在换热芯壁面上的分布比较均匀，喷嘴120°的覆盖角度和两排各五个的排布，能够满足换热芯壁面均匀覆盖水膜的需要。根据模拟结果，风水反向和风水同向换热芯壁面上的水膜面平均厚度分别为46.5和43.1 mm。未来可以通过数值模拟指导喷水量，使得换热芯壁面上的水膜厚度均匀分布且较薄，但最后也不会蒸干，可以在几乎不影响换热的前提下，降低二次空气侧风道的压降，提高总体的能效。

(a)风水反向                                       (b)风水同向

图 6 二次空气侧空气相对湿度在换热芯风道内分布云图

(a)风水反向                                       (b)风水同向

图 7 换热芯壁面上水膜厚度分布云图

图 8显示了换热芯表面上温度分布的云图。从图上可以明显看到有一些温度比较高或者低的点。这些点是液滴蒸发造成的，主要是由于液滴蒸发数值模拟的方法是比较简化的浓度驱动模型，并且壁面上的水膜控制方程也是简化的液滴颗粒厚度变化的方程。但是从总体上看，本文的方法仍旧可以做为指导间接蒸发冷却换热设计的有效且可行的方法。

(a)风水反向                                       (b)风水同向

图 8 换热芯壁面上温度分布云图

本文通过实验和数值模拟的对比，对间接蒸发冷却换热过程进行了建模和验证，得到的结论如下:

1. 本文方法可以比较准确的预测间接蒸发冷却的湿模式换热效率，误差在±15%以内。

2. 对二次空气侧不同流向的模拟结果，显示了和实验一致的趋势，证明了本文方法可以用于指导间接蒸发冷却的设计，考虑布水、风向和重力等复杂因素的影响，在一些方案中确定较优的设计方案。

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