CC型原表面換熱器通道內流動與換熱特性的數值研究

朱曉華，婁德倉，童傳琛（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

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CC型原表面換熱器通道內流動與換熱特性的數值研究

朱曉華，婁德倉，童傳琛
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：交錯波紋板（CC）型換熱器具有結構緊湊、換熱效率高等特點，可滿足間冷回熱循環渦扇發動機對間冷器的要求。數值研究了CC型原表面通道內三維流動及換熱特性，探究了上下波紋板交錯角（θ）及雷諾數（Re）對流動損失的影響，表明阻力系數f隨θ的增大而增大。詳細研究了θ為90°時波紋板通道流動損失及換熱特性，表明努賽爾數（Nu）隨Re的增大而增大。θ為90°時，f、Nu的數值計算結果與文獻結果較為接近。

關鍵詞：間冷回熱循環發動機；交錯波紋板原表面；交錯角度；損失系數；換熱；數值計算

loss coefficient；heat transfer；numerical simulation

1　引言

對經濟性和環保性的關注，催生了以顯著降低污染排放和燃油消耗為目標的潔凈發動機研究項目。歐盟的第6框架協議［1］中，提出了新型航空發動機概念（NEWAC）計劃。該計劃以提高熱效率，降低油耗、CO2和NOx排放為目標，提出并研究了包括間冷回熱構型的各種創新核心機概念。間冷器是一種空氣間的熱交換器，技術難點在于要設計一種高效、緊湊、輕質、低損失、耐久和經濟的換熱器，同時可很好地抗污垢和抗阻塞。近期很多研究原表面型換熱器的學者提出了交叉波紋板型（CC型）換熱器，這種表面型換熱器具有結構緊湊、換熱效率高等特點。

國內外對CC型換熱器進行了大量研究。國外最初對CC型表面換熱器的研究主要集中于實驗方面。Focke等［2］研究了上下波紋板交錯角（θ）對原表面換熱器換熱和流動的影響。Stasiek等［3］采用致熱液晶方法對CC型原表面換熱器進行試驗研究，探討了不同幾何模型和雷諾數對換熱系數和壓力損失的影響。由于CC型表面波紋板幾何結構及內部流動的復雜性，相關數值模擬研究并不多見，且大多針對簡化模型或單元。Ciofalo等［4］利用數值計算方法，選取層流、低雷諾數、k -ε和大渦模擬等不同湍流模型，研究了不同湍流模型對CC型原表面換熱器通道內流體流動與換熱特性的影響。Blomerius等［5］采用數值方法研究了波紋板交錯角為45°時，CC型原表面換熱器通道內壓力損失和換熱系數隨相對節距（Pc/Hi，Pc為波紋間距，Hi為波紋內部高度）和雷諾數（Re）的變化。

國內主要使用數值計算方法對CC型表面換熱器進行研究。陰繼翔等［6］對具有正弦波形通道交叉排列的原表面換熱器多通道流動與換熱特性進行數值模擬，探究了上下波紋板交錯角、相對節距及雷諾數的影響。本文結合真實尺寸的間冷器設計，使用商業軟件對CC型表面波紋板內部流動與換熱特性進行數值模擬，研究不同波紋板交錯角對換熱器通道流場及損失特性的影響，以期為間冷器波紋板交錯角的選擇提供依據。

2　計算模型與計算方法

2.1計算模型及計算域

CC型表面換熱器芯體模型如圖1所示，研究對象為真實尺寸波紋板間冷器模型（圖2），計算幾何模型見圖3。模型長150 mm，寬（從進口到出口方向）70 mm。整個模型計算網格較多，考慮到計算能力，選取計算模型為原始模型長度的1/3。波紋板單元尺寸：Pc=3.50 mm，Hi=1.75 mm，Pc/Hi=2，壁厚S=0.1 mm，當量直徑Dh=2.0 mm。在研究CC型波紋通道流動損失時，選取波紋板交錯角為45°、60°、75°及90°；研究換熱特性時，波紋板交錯角只針對90°。

計算域見圖3，包括熱流體、冷流體及固體。CC型波紋通道內，冷、熱兩股流體在通道內截面附近組成交叉流動，其中冷流體沿Z軸負方向流動，熱流體沿X軸正方向流動。計算時冷、熱流體給定流量和溫度，出口設置為壓力出口邊界條件。根據波紋通道流體流動特點，通道上、下表面采用周期性邊界條件。

圖1　 CC型換熱器芯體Fig.1 Core of crossed-corrugated heat exchanger

圖2　真實尺寸間冷器模型Fig.2 Intercooler model with real size

圖3　 CC型表面波紋板計算模型示意圖Fig.3 Computation model of plate with crossed-corrugated primary surface

2.2參數定義

水力直徑：

式中：V為體積，Ad為表面積。

平均速度：

式中：G為流量，ρ為流量密度，Ac為橫截面積。流體截面積：

式中：H為波紋板高度。

雷諾數：

式中：ν為動力粘性系數。

損失系數：

式中：Δp為進出口壓差。

局部及平均努賽爾數：

分別為壁面局部及平均溫度，λf為流體的導熱系數。

2.3網格劃分

為提高計算效率，整個計算域網格采用多面體網格。網格分布為非均勻，流動劇烈處網格加密，網格總數約503萬，網格劃分見圖4。

圖4　 CC型表面波紋板網格Fig.4 Grid of plate with crossed-corrugated primary surface

2.4計算方法

采用商業軟件進行數值計算。方程離散采用二階迎風格式，流動和溫度采用分離求解器，考慮空氣的可壓縮性和物性隨溫度的變化，湍流模型選取Realizable k -ε模型。

3　計算結果與分析

3.1流動特征

由于流體在波紋板通道內流動較復雜，其流場特征難以用試驗手段獲得，往往借助CFD計算獲取。數值計算［4，7］發現，除沿側壁反射作用外，流體主要沿前后、左右兩個波紋通道流動。沿前后波紋方向流動的速度設定為V，沿左右波紋方向流動的速度設定為U，兩個方向不同的流體會形成交叉流，進而誘發生成二次流旋渦運動。其中速度U可分解為與前后波紋方向平行的分量Ux（U cos θ）及垂直分量Uy（U sin θ）。垂直分量Uy是誘發流體旋渦產生的驅動力，而平行分量Ux表示了兩股交叉流體相互作用。當θ＜90°，Ux與V方向相同，促進前后波紋通道內流體流動，流動特征見圖5（a）；θ＞90°后，Ux會阻礙前后波紋通道內流體的流動，流體仍主要沿波紋通道流動，但在波紋板間接觸點會發生反射。在兩股不同方向流體的作用下，使流體形成一種Z形的流動特征，見圖5（b）。

圖5　波紋板通道內的流動特征［4］Fig.5 Flow characteristics of passage in crossed-corrugated plate

3.2不同交錯角波紋板數值計算結果分析

對波紋板交錯角為45°、60°、75°和90°的波紋板內部流場進行數值計算。各角度的波紋板模型見圖6，損失系數隨雷諾數的變化見圖7。可見，不同交錯角所對應的波紋板通道內的損失系數隨雷諾數的增大而減小，這是因為雷諾數升高，渦量增大，壓力損失也增大；相同雷諾數下，不同波紋板通道內的損失系數隨波紋板交錯角的增大而增大，這是因為隨著交錯角的增大，形成旋渦的驅動力增大，進而形成較強的旋渦運動所致。不同交錯角對流體流動的影響較大，波紋板通道內冷、熱兩股流體在通道中截面附近交錯角相差太大（如冷、熱流體通道波紋板交錯角分別為135°和45°），會對冷、熱流體的流動換熱造成很大影響，因此下文波紋板內冷、熱通道波紋板交錯角都選為90°。

3.3交錯角為90°時的波紋板流動換熱特性

為更好地研究CC型換熱器通道內流體的流動特征，在進口處選擇15個點作為發射點以生成通道內流線，見圖8。圖中波紋板通道內的流線分布規律，較好地驗證了前文描述的CC型波紋板通道內流體流動特征。

圖9為波紋板表面局部Nu分布圖。可見，波紋板上波峰位置（CS ridge）Nu較高，最大值出現在上、下波紋板的接觸點（P）上，這是因為在接觸點附近，流體會加速流動。計算發現，在繞過接觸點的尾跡處，Nu下降。波紋板上波谷位置（CS furrow）Nu最低。Nu隨著Re的增大而增大，θ為90°時兩通道內的流動垂直交叉，作用相當。

圖6　不同交錯角的波紋板模型Fig.6 Crossed-corrugated plate model with different θ

圖7　不同波紋板交錯角所對應的波紋板通道內損失系數隨雷諾數的變化Fig.7 Loss coefficient in crossed-corrugated plate passage vs. Reynolds number

圖8　波紋板通道內的流線Fig.8 Streamline in passage of crossed-corrugated plate

圖10示出了數值計算與文獻［2］、［8］～［11］中的f和Nu對比圖。其中Savostin研究的模型θ為96°、Pc/Hi為2.2，Focke研究模型θ為90°、Pc/Hi為2.0，與本文模型尺寸一致。這些文獻所研究波紋板幾何結構較為接近，θ范圍為90°～96°，Pc/Hi介于1.78～2.50之間。可見：數值計算的f與Savostin、Focke的結果比較接近；數值計算的Nu略小于Savostin、Focke和Kwan的數據。其中數值計算結果比Savostin和Focke的數據小約10%。

圖9　波紋板表面局部努賽爾數分布圖

圖10　數值計算的損失系數和努賽爾數與文獻數據的對比Fig.10 Comparison between computed and documented loss coefficient and Nusselt number

從圖中還可看出平均Nu與Re的關系。Re較低時平均Nu也較低，且隨著Re的增大Nu升高。這是因為較低Re下流體在波紋板通道內的流動為層流流動，流動較為穩定；隨著Re的增大，旋渦運動產生的自由剪切層變得不穩定，由剪切層自發的振蕩加強了旋渦與主流流體及壁面間的擾動和混合，進而使換熱性能得到改善，平均Nu開始回升。

4　結論

采用商業軟件對波紋板換熱器通道流體壓力損失及換熱特性進行了三維數值研究，得出以下結論：

（1）不同波紋板交錯角所對應的波紋板通道內的損失系數隨雷諾數的增大而減小；

（2）相同雷諾數下，波紋板通道內的損失系數隨波紋板交錯角的增大而增大；

（3）交錯角較小（＜90°）時，通道內流體主要沿波紋板之間的波紋通道流動，兩個方向不同的流體會形成交叉流，進而誘發生成二次流旋渦；

（4）波紋板上各處努賽爾數差異較大，上下波紋板接觸點處最大，波峰位置較大，波谷位置最小；

（5）波紋板交錯角度為90°時，通過數值計算出的損失系數和努賽爾數與文獻數據較為接近，表明數值計算可信。

參考文獻：

［1］Rolt A M，Baker N J. Intercooled turbofan engine design and technology research in the EU Framework 6 NEWAC programme［R］. ISABE 2009-1278，2009.

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［4］Ciofalo M，Stasiek J，Collins M W，et al. Investigation of flow and heat transfer in corrugated passages-II. Numerical simulations［J］. Int J. Heat and Mass Transfer，1996，39 （1）：165—192.

［5］Blomerius H，Holsken C，Mitra N K. Numerical investigation of flow field and heat transfer in cross-corrugated ducts［J］. Journal of Heat Transfer，1999，121（2）：314—321.

［6］陰繼翔，李國君，豐鎮平.交錯波紋板原表面換熱器通道內對流換熱的數值研究［J］.西安交通大學學報，2005，39（1）：36—41.

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［11］Savostin A F，Tikhonov A M. Investigation of the characteristics of plate-type heating surfaces［J］. Teploenergetica，1970，17（9）：75—78.

Numerical investigation of the flow and heat transfer characteristics inside cross-corrugated flow passages

ZHU Xiao-hua，LOU De-cang，TONG Chuan-chen
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：For an intercooled recuperated gas turbine engine architecture proposed，the cross-corrugated surface heat exchanger was selected as the intercooler for the high thermal efficiency and compact structure. An investigation on the characteristics of flow and heat transfer was conducted with 3D numerical simulation on heat exchanger passages which bear crossed-corrugated primary geometry. The effects of corrugation angle（θ）and Reynolds number（Re）on the flow were studied. It shows that f increases with θ；when θ was 90°，the effects of Reynolds number on the flow and heat transfer performance were studied. The results obtained show that Nu increases with Re，and numerical results of f and Nu agree well with existing data in literatures.

Key words：intercooled recuperated engine；crossed-corrugated primary surface；corrugation angle；

中圖分類號：V231.1+3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0036-05

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-01-28

作者簡介：朱曉華（1984-），男，山西懷仁人，工程師，碩士，主要從事航空發動機高溫部件傳熱與冷卻技術研究。