阴继翔,李国君,丰镇平
（西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安）
随着电力生产的重要变革以及范围内能源与动力需求结构的调整,为满足电力市场放松控制后所形成的用户需求,以微型燃气轮机（单机功率范围为25～300ｋＷ）为核心的分布式发电技术出现了一个潜在的市场[1],它为换热器工业的发展带来了很好的机遇.因为欲使微型燃气轮机的热效率达到30%或更高,重要的技术途径之一是采用换热器[2].换热器又必须满足率、低压损和高紧凑型的要求,这就是本文交错波纹板（ＣｒｏｓｓｅｄＣｏｒｒｕ ｇａｔｅｄ,ＣＣ）型原表面通道研究提出的背景.
文献[3,4]对图1所示换热器芯体内部流动与换热的研究主要集中于实验方面,且多数结果在湍流范围内.因其结构的复杂性,有关数值模拟的工作并不多见.文献[5]利用Ｆｌｏｗ3Ｄ软件对ＣＣ型原表面换热器通道内流体流动与换热特性进行了数值模拟,但提供的数值结果很少,而且主要是对各种计算模型进行对比,揭示了不同模拟方法模拟不同流动状态的适应性.文献[6]分析了波纹板与流动方向交错角θ为45°时,不同相对节距对非稳态流动与换热的影响.有关ＣＣ型原表面换热器通道内层流流动特性的研究报道较少.目前,*换热器单元通道的水力直径已降到1～2ｍｍ[2],由于通道很窄,对压力损失方面的要求较严,因此换热器通常运行在低Ｒｅ范围.为此,本文试图利用数值方法揭示ＣＣ型原表面通道内三维稳态层流流动与换热的特性,旨在为其的优化设计提供参考依据.
 
1　物理问题及数值方法
1.1　物理问题描述及计算区域选取
   本文针对图1所示的ＣＣ型原表面换热器空气侧的流动与换热进行数值模拟.其通道由正弦型波纹板以某一角度紧密交叉、上下叠置而成,板与板之间的接触点增大了换热器的承压能力,使其在板很薄的情况下具有较好的稳定性[6].形状参数有曲面的波长（一个周期）Ｐ、振幅Ｈ/2、上下波纹板的交错角θ和壁厚Ｓ.本文模拟不考虑壁厚的影响,选取2块板4个接触点间的组成部分作为一个单元,计算区域为图2所示的7×7个单元通道,其中每一单元体结构见图3.
1.2　控制方程及边界条件
    采用物性参数为常数的空气,模拟限于Ｒｅ为100～1000的层流工况[2],壁面温度设定为常数,计算区域为2个进口与出口,其入口温度和速度给定,出口边界按充分发展条件处理,此条件下的通用控制方程为
 
式中:μ为流体的动力粘度;Ｐｒ为流体的普朗特数,其值设为常数0.6926.
1.3　有关参数的定义当量直径
 
式中:Δα是沿主流方向流动单元的长度.
局部及平均努谢尔特数
 
式中:Ｔｆ为流体的体积平均温度;ｑｗ、〈ｑｗ〉分别为局部及平均壁面热通量;Ｔｗ、〈Ｔｗ〉分别为局部及平均壁面温度;λｆ为流体的导热系数.
1.4　网格生成及算法
    网格由ＣＦＤ商用软件Ｆｌｕｅｎｔ的前处理软件Ｇａｍｂｉｔ生成.为有效求解近壁处较大的速度和温度梯度,在进出口附近的壁面布置相对较密的网格节点,采用非结构化、非均匀分布的网格.流场与温度场采用分离式求解法求解,压力与速度的耦合应用ＳＩＭＰＬＥＣ算法完成,对流项离散均采用指数格式.2　算例考核为考察数值计算方案的可靠性和有效性,本文采用7×7多单元通道模型,利用计算流动与换热的通用软件（Ｆｌｕｒｅｎｔ软件）,对文献[2]提供的ＣＣ2 2-75正弦型波纹通道（在恒壁温条件下,流动与换热均为充分发展时）平均努谢尔特数的实验结果进行了数值模拟.结果表明（见图4、图5）,连续通道表面平均Ｎｕ与ｆ在第4单元通道（见图2）后变化很小或基本保持不变（各种计算工况下的ｆ在计算单元出口均有所下降,是因出口影响所致）,可近似认为流动与换热均已进入充分发展段[5,7].第4单元通道的计算结果与实验结果的比较见图6所示,两者吻合较好,充分说明了本文算法的可靠性和有效性.
3　结果分析与讨论
    针对曲面的相对节距Ｐ/Ｈ为1.5、2.2、3.1、4.0,交错角θ为90°、75°、60°、45°、30°所形成的不同ＣＣ型通道进行数值模拟,并取第4单元的值作为周期性充分发展的计算结果.
 
 
3.1　流动与换热强化特性分析
    图7形象地显示了与前后通道进出口表面平行的中心截面上两流动单元内的流动情况.可以看出,流体主要沿各波纹通道流动,2个不同方向的流体在中截面附近组成了交叉流,以诱发二次旋涡运动,其旋涡是由另一波纹通道内流体流动速度在此波纹方向的垂直分量驱动生成[6],它是流体热质转换的主要动力.如图8所示,流体沿左右方向波纹通道流动的速度为ｕ,其速度可分解为与前后波纹方向平行的分量ｕｘ（ｕｃｏｓθ）及垂直分量ｕｙ（ｕｓｉｎθ）,正是此垂直分量诱发并导致了前后波纹通道内流体在中截面附近旋涡运动的发生.同理,前后波纹通道内流体运动的速度分量会促使左右波纹通道内流体在中截面附近形成旋涡运动.波纹板交错角为90°时形成旋涡的驱动力ｕｙ达到zui大值,而速度分量ｕｘ则表示了2股流体的相互作用,当θ大于90°后,此速度分量与相邻波纹通道流体的流动方向相反,将阻碍另一波纹通道内流体的流动.在2个速度分量的作用下,使流体形成一种螺旋向前的流动并引起中心流体与壁面附近流体的强烈混合,破坏或减薄了边界层,从而实现了换热的强化.
 
3.2　阻力结果分析
    图9给出了Ｐ/Ｈ为2.2时,ｆ随Ｒｅ及θ变化的特性曲线.可以看出,随Ｒｅ的增大ｆ减小且变化越来越平缓.在相同的Ｒｅ下,ｆ随θ的增大而增大,是因为随着θ的增大,形成旋涡的驱动力增大,从而形成了较强的旋涡运动所致.通道的ｆ随Ｐ/Ｈ的变化见图10,在Ｒｅ较小（为300）时,ｆ随Ｐ/Ｈ的增大呈现较强的增长趋势.从θ为60°、不同Ｐ/Ｈ通道的涡量分布图11所示的结果可知:随Ｒｅ的增加涡量增大;随Ｐ/Ｈ的增加,涡量减小,旋涡强度减弱,但两交叉流间的相互作用增强,导致了在Ｒｅ较小时旋涡区与主流间自由剪切层的不稳定,加强了主流与旋涡区流体的扰动与混合,使得ｆ增大;当Ｒｅ较大（为900）时,Ｐ/Ｈ对ｆ的影响较小,且随着Ｐ/Ｈ继续增大,ｆ呈减小趋势（见图10）.这是因为随着Ｐ/Ｈ的增大旋涡强度减弱,当Ｒｅ较大（为900）时,交叉流之间较强的惯性作用使旋涡运动结构发生改变,即由Ｒｅ较小时不稳定的单个旋涡区转变为相对稳定的多个旋涡区所致.尽管多个旋涡区的存在增大了流动的形状阻力,但比由不稳定的剪切层引发的流体间相互混合所产生的阻力小,zui终使得ｆ减小.同时也可看出,随着Ｒｅ增大,ｆ减小,与图9所得的结论相同.
 
 
3.3　换热计算结果分析
   从图12可以看出,Ｎｕ的zui大值在主流方向出口尾部及与各波纹通道流体出口邻近的两通道入口区附近的壁面上产生,壁面中心部分的Ｎｕ相对较小,zui小值发生在上下波纹板的4个接触点上.计算发现,在绕过接触点的尾迹处,流体温度几乎与壁面温度相同,且Ｒｅ越小,此尾迹蔓延的范围越广,由于流体在此处混合较差,造成4个接触点附近换热的恶化.
   由图13可知:Ｎｕ随Ｒｅ及θ的增大而增大,θ的增大使旋涡强度增强,也增强了流体间的扰动与混合,使换热得以强化;在θ为90°时两通道内的流动垂直交叉,作用相当,更加复杂的流动结构使其平均Ｎｕ达到zui大,而θ为30°与45°的Ｎｕ值几乎相等,可能是由于θ较小使计算区域格外扭曲所致.
 
由图14可以看出:在Ｒｅ较小（为300）时,随Ｐ/Ｈ的增大Ｎｕ增大;在Ｒｅ较大（为900）时,Ｎｕ的变化与Ｐ/Ｈ的范围相关,随Ｐ/Ｈ的增大Ｎｕ先增大后减小,Ｐ/Ｈ在2 2～3 1范围内,Ｎｕ随Ｐ/Ｈ的增大而增大,Ｐ/Ｈ在3 1～4 0时,其通道内形成的多个稳定旋涡阻隔了流体与壁面以及流体之间的热交换而使Ｎｕ减小.文献[3]在Ｒｅ很大（为1000、4000）时的实验研究也有相同的结论.