梁紅俠，索建秦

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,西安710072）

1 引言

近年來，隨著電力生產(chǎn)的重要變革及全球范圍內(nèi)能源與動(dòng)力需求結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)保質(zhì)量要求的提高，微型燃?xì)廨啓C(jī)憑借單機(jī)功率小，低排放，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，在未來世界電力生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。微型回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)裝置使用原表面回?zé)崞骺梢允蛊浒l(fā)電效率達(dá)到30%以上，在提高熱效率的同時(shí)也降低了CO2的排放[1-4]。

文獻(xiàn)[5-9]研究表明，作為1種先進(jìn)的板式結(jié)構(gòu)，原表面在板面間形成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通道，流體流過通道凹陷區(qū)域的壁面時(shí)會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦流，導(dǎo)致流體混合和邊界層減薄或破壞，強(qiáng)化換熱，使在低Re時(shí)即可獲得平直通道在高Re湍流時(shí)產(chǎn)生的換熱效果。Utriainen和Sunden[10-12]通過CFD方法,在層流條件下對(duì)用于微型燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞鞯慕徊媾帕械膶?duì)稱性CC型、非對(duì)稱的CU型以及具有梯形結(jié)構(gòu)的波浪型CW等復(fù)雜波紋通道內(nèi)3維流動(dòng)與換熱進(jìn)行了數(shù)值研究，并對(duì)不同換熱表面的換熱性能進(jìn)行比較評(píng)估。文獻(xiàn)[13]對(duì)100 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)CW原表面回?zé)崞鬟M(jìn)行了流動(dòng)與換熱試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，100 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞髟囼?yàn)件存在回?zé)岫鹊?，沿程壓力損失大的問題，尤其是空氣側(cè)壓降遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求值。為了降低回?zé)崞髡w的總壓降，必須從壓降占份額較大的空氣側(cè)入手，弄清楚空氣通道流動(dòng)分布情況以降低流動(dòng)阻力，因而，系統(tǒng)地研究整個(gè)單通道內(nèi)流動(dòng)情況,對(duì)其性能進(jìn)行綜合評(píng)估是非常必要的。

本文用數(shù)值模擬的方法對(duì)CW原表面回?zé)崞餍倔w空氣通道流動(dòng)性能進(jìn)行了研究，展示了一些在試驗(yàn)中無法觀測(cè)的信息，其結(jié)果可為回?zé)崞髡麄€(gè)芯體流動(dòng)阻力確定提供參考，也為空氣流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 物理模型與計(jì)算方法

2.1 物理模型和數(shù)學(xué)描寫

為了了解空氣側(cè)流動(dòng)通道內(nèi)流動(dòng)規(guī)律，取空氣側(cè)單個(gè)全通道模型進(jìn)行計(jì)算，考慮到計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算周期，計(jì)算通道芯體CW波紋周期個(gè)數(shù)取11個(gè)。CW原表面換熱板單通道不同流程如圖1所示。整個(gè)換熱板分入口導(dǎo)流區(qū)、波紋換熱區(qū)和出口導(dǎo)流區(qū)3部分，流體在單通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)“Z”型流動(dòng)。

計(jì)算選取導(dǎo)流段進(jìn)/出口距離比Li/Lo＝1:7，1:2，1:1，2:1，7:15種不同通道進(jìn)行模擬計(jì)算，為了方便描述，分別將5種通道標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ通道。單通道Li/Lo＝1:1計(jì)算幾何模型如圖2所示。

2.2 控制方程及數(shù)值方法

選用物性參數(shù)為常數(shù)的空氣，取壁面溫度與進(jìn)口溫度的平均值作為定性溫度，模型限于3維、穩(wěn)態(tài)、不可壓的Re在100～1000范圍內(nèi)的層流流動(dòng)。通道表面為無滑移邊界條件，此條件下的通用控制方程為

層流模型不同變量的擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)的具體表示分別為

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

雷諾數(shù)Re定義為

式中：U為流速；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。

當(dāng)量摩擦系數(shù)f定義為

計(jì)算應(yīng)用FLUENT軟件，流場(chǎng)與溫度場(chǎng)采用分離式求解法求解，使用SIMPLEC壓力－速度耦合算法，方程離散采用2階迎風(fēng)格式。使用結(jié)構(gòu)化且非均勻的網(wǎng)格，即在進(jìn)、出口處的兩側(cè)分別布置相對(duì)較密的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，以便有效地求解近壁處較大的速度梯度。對(duì)幾套疏密不同的網(wǎng)格進(jìn)行嘗試，選取對(duì)結(jié)果已基本無影響的網(wǎng)格作為最終的計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目為840,495個(gè)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在Re=300時(shí)，通道ⅢCW波紋通道全程速度分布如圖3所示。從圖3中可見，流體在入口導(dǎo)流區(qū)流動(dòng)阻力較小，流速較低；在通道中心部分流速最高；在壁面處，流速最低。進(jìn)入波紋通道內(nèi)，由于流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，阻力增大，流體隨著流動(dòng)方向前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力增大，流動(dòng)速度隨之增大，加強(qiáng)了主流與壁面附近流體的擾動(dòng)與混合，使得摩擦系數(shù)增大。與入口導(dǎo)流區(qū)相同，出口導(dǎo)流區(qū)流動(dòng)阻力較小，流速較低。

雖然流體在通道內(nèi)流動(dòng)壓降主要集中在CW波紋區(qū)，在入口導(dǎo)流區(qū)和出口導(dǎo)流區(qū)壓降較小，為了進(jìn)一步了解入口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡段以及出口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡段對(duì)流動(dòng)阻力的影響，以便更好地對(duì)回?zé)崞魍ǖ澜Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有必要對(duì)這2個(gè)過渡段的局部流動(dòng)阻力進(jìn)行分析。通道ⅢRe=300時(shí)，CW單通道入口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡段以及出口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡段速度分布局部放大如圖4所示。入口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡段速度分布如圖4（a）所示。從圖中可見，在過渡區(qū)域流動(dòng)速度變化很大，在入口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)拐角壁面處出現(xiàn)小的渦漩，主流與壁面附近的流體相互阻滯，對(duì)流體產(chǎn)生大的阻礙作用。由于流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化，流體在拐角處產(chǎn)生較大壓降。出口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡段速度分布如圖4（b）所示。從圖中可見，由于流動(dòng)主流方向發(fā)生改變，同樣在出口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)拐角壁面處出現(xiàn)小的渦漩，流動(dòng)速度變化較大，阻力也隨之增大。

為進(jìn)一步了解流體在CW波紋通道內(nèi)的流動(dòng)阻力，沿流動(dòng)方向?qū)Σ煌瑔卧行慕孛嫠俣确植歼M(jìn)行分析。Re=300時(shí)，通道Ⅲ第1、3、5、8單元中心截面速度分布如圖5所示。從圖中可見，第1單元通道內(nèi)由于受入口導(dǎo)流過渡段的影響，中心截面流動(dòng)分布情況是不均勻的，沿著主流前進(jìn)方向強(qiáng)烈的混合使通道內(nèi)流體流動(dòng)趨于均勻化，流體在通道內(nèi)的流動(dòng)為穩(wěn)定的層流流動(dòng)，通道中心部分流速最高。計(jì)算表明，從第5單元開始，流動(dòng)分布情況趨于一致，在相鄰2個(gè)單元中心截面壓降恒定。

為更加詳細(xì)地了解流體在整個(gè)通道內(nèi)的流動(dòng)阻力情況，沿流動(dòng)方向?qū)νǖ肋M(jìn)行劃分，如圖6所示。數(shù)字編號(hào)即為沿主流方向CW原表面波紋單元。當(dāng)Re=300時(shí)，5個(gè)通道不同區(qū)域段的壓降情況見表1。從第5個(gè)單元開始，流動(dòng)分布情況趨于一致，在相鄰2個(gè)單元中心截面壓降恒定。經(jīng)計(jì)算可知,每個(gè)通道流動(dòng)總壓降最大相差不超過0.51%。在過渡區(qū)由于流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化，流動(dòng)速度變化很大，使得壓降增大，尤其是入口過渡區(qū)壓降平均值達(dá)到648 Pa。通道Ⅲ入口過渡段壓降值為645 Pa，約占整個(gè)通道總壓降的20%。所以降低空氣側(cè)的壓降必須更加合理地設(shè)計(jì)優(yōu)化入口過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，可通過進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)流板的安裝角度等途徑來降低壓降。

表1 不同區(qū)域段內(nèi)壓降Pa

摩擦系數(shù)f隨Re變化曲線如圖7所示，并與文獻(xiàn)[14]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出，摩擦系數(shù)f模擬值與試驗(yàn)結(jié)果在Re=100～400范圍內(nèi)變化趨勢(shì)比較吻合，單通道摩擦系數(shù)f試驗(yàn)值明顯高于模擬值，這與實(shí)際情況相符，因?yàn)榛責(zé)崞髟囼?yàn)時(shí)壓力測(cè)點(diǎn)均布置在回?zé)崞餍倔w外的進(jìn)、出口處和進(jìn)、出口管上，流體在流經(jīng)管道時(shí)必然產(chǎn)生沿程阻力損失和局部阻力損失；另外，實(shí)際加工的回?zé)崞鲹Q熱表面不會(huì)如理想狀態(tài)的光滑，在換熱片成型加工中，受模具、工藝和材料影響，板片不能如設(shè)計(jì)情況般規(guī)整，所以造成試驗(yàn)測(cè)試的壓降高于數(shù)值計(jì)算的單通道進(jìn)、出口壓降，試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)f值比計(jì)算結(jié)果大。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于進(jìn)入換熱板的每1股流體無論進(jìn)入哪1個(gè)通道，經(jīng)過整個(gè)換熱板的總流程總是相等的，不同通道流動(dòng)分布情況趨于一致，通道流動(dòng)總壓降最大相差不超過為0.51%。

（2）通過對(duì)整個(gè)單通道內(nèi)層流流動(dòng)特性研究表明：空氣在單通道內(nèi)流動(dòng)，壓降較大值不僅僅發(fā)生在波紋換熱區(qū)，在入口導(dǎo)流區(qū)與波紋區(qū)過渡區(qū)流動(dòng)速度變化很大，主流與壁面附近的流體相互阻滯，產(chǎn)生大的阻礙作用，阻力的較大值發(fā)生在此處，此處過渡段壓降值約占整個(gè)通道總壓降的20%，所以降低空氣側(cè)的壓降必須更加合理地設(shè)計(jì)優(yōu)化過渡段的結(jié)構(gòu)。

（3）經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，從第5個(gè)單元開始，流動(dòng)分布不受入口段影響，壓降亦不再受流動(dòng)單元個(gè)數(shù)的影響而趨于恒定。

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