復合式波紋板傳熱與阻力特性數值研究

張 磊，杜 娟，白文剛，高 煒，吳帥帥

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復合式波紋板傳熱與阻力特性數值研究

張 磊1，杜 娟2，白文剛1，高 煒1，吳帥帥1

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100）

DN（double notched）型波紋板傳熱元件在回轉式空氣預熱器中應用廣泛，為了揭示DN板波紋通道內的微觀流動形態和強化傳熱機理，本文采用LBKE（Lam and Bremhorst k-ε model）湍流模型和計算流體動力學（CFD）數值模擬技術對DN板的傳熱、阻力特性展開研究，預測DN板的傳熱和阻力系數，分析DN板通道內的流場和溫度場。模擬計算發現：DN板通道內的流動可分為波紋通道流動和平直通道流動兩大類；DN板斜波紋段、凹槽段迎風面努塞爾數（Nu）較大，背風面Nu較小；Nu隨著雷諾數（Re）的增大而增大，DN板上的Nu分布隨著Re的增大而更趨均勻；增加DN板上斜波紋結構比例可提升其傳熱能力，但阻力損失也會相應增加；DN板在中等Re水平（Re≈5 000）下運行時效果最佳，此時既能保證DN板上Nu均勻分布又控制了阻力損失大小。

回轉式空氣預熱器；DN板；波紋板；數值模擬；傳熱；阻力系數

回轉式空氣預熱器（空預器）屬于再生式空預器的一種，具有結構緊湊、安裝檢修方便、運行費用低、占地面積小等諸多優點，是電站鍋爐不可缺少的組成部分[1-2]。回轉式空預器利用鍋爐排煙的低品位余熱加熱入爐空氣，能夠改善爐膛內著火條件和燃燒過程，并提高鍋爐熱效率。

傳熱芯體是回轉式空預器的核心部件，承擔著存儲、傳遞熱量的作用。回轉式空預器的傳熱芯體一般由波紋板傳熱元件堆疊裝配而成。當回轉式空預器運行時，圓盤狀的傳熱芯體連續旋轉，交替地與熱煙氣和冷空氣進行接觸換熱。當煙氣與傳熱芯體接觸時，煙氣攜帶的熱量傳遞給芯體中的波紋板傳熱元件并蓄積起來；當空氣與傳熱芯體接觸時，芯體中波紋板傳熱元件所蓄積的熱量又被傳遞給空氣。傳熱芯體旋轉時被周期性地加熱和冷卻，熱量就周期性地由煙氣傳遞給空氣[3]。

品質優良的回轉式空預器應該具備以下特點：高效傳熱、低壓損、易吹灰和便于進行故障探測。為了滿足這些要求，需要對波紋板傳熱元件結構進行細致的研究和設計[4]。回轉式空預器波紋板傳熱元件一般由金屬平薄板壓制成波紋形狀，大量波紋板緊密堆疊，板片間隙構成了工質流動的波紋通道。波紋板通過特殊設計的壁面波紋形狀可誘發二次流動、增強流體混合，進而強化傳熱。回轉式空預器中常用的典型波紋板型包括DN（double notched）板、CC（cross corrugated）板、CU（corrugated undulated）板和DU（double undulated）板等[5-9]。

國外DN板的研發、制造技術經過長期積累已趨成熟，但由于技術保密的原因，相關研究的公開報道十分稀少。由于無法借鑒國外的先進技術經驗，加之DN板波紋通道具有結構復雜、小尺度的特點，使得國內DN板型相關研究工作進展緩慢。對此，本文采用有限容積法對DN板通道內的流動、傳熱過程進行三維數值模擬研究，揭示DN板通道內的微觀流動形態和強化傳熱機理。本文的研究有望為DN型復合式波紋板傳熱元件的自主研發提供技術支持。

1 DN型波紋板

DN板由多種波紋結構復合而成，包括凹槽段、斜波紋段以及平直段3種結構，其結構示意如圖1所示。圖1中凹槽段波紋形線為近似正弦波，凹槽方向與主流方向平行。斜波紋段波紋形線為近似三角波，斜波紋與主流方向夾角為，斜波紋段位于相鄰凹槽段之間。平直段為平直板片，位于相鄰斜波紋段之間。復合式波紋板的特殊設計結構使得DN板具有傳熱高效、故障探測靈敏、成本低等優點，這些優良特性使DN板成為回轉式空預器中應用最廣的一種傳熱元件。

2 計算區域及網格劃分

2.1 計算區域

考慮到回轉式空預器DN板傳熱芯體結構在、、方向上周期性重復變化的特點，為了節省計算資源和計算時間，確定了具有代表性的最小單元作為計算區域，該區域為方向上3塊DN板間的2個波紋通道，計算區域寬度（方向）等于一個波長（140 mm），計算區域長度（方向）為145 mm，計算區域如圖1所示。

2.2 網格劃分

針對不規則形狀的DN板通道，本文采用GAMBIT軟件中的非結構化Tet/Hybrid網格對計算區域進行離散化處理，并在壁面附近實施了局部加密。經過網格無關性驗證，本文最終的計算網格數為1 396 578個。DN板網格劃分如圖2所示。

圖2 DN板網格劃分

3 數學模型及求解策略

3.1 數學模型

描述回轉式空預器DN板通道內流動傳熱過程的雷諾時均控制方程包括質量守恒、動量守恒以及能量守恒方程：

需要引入湍流模型才能實現上述控制方程組的封閉求解。Patel等人[10]采用不同的湍流模型預測通道內受限湍流流動過程，發現Lam和Bremhorst[11]提出的低雷諾數-（LBKE）模型計算精度最高。Ciofalo等人[12]在數值研究CC通道內湍流流動傳熱過程時發現，LBKE模型在所選用的5種湍流模型中計算偏差最小。考慮到DN與CC板結構的相似性，本文借鑒上述研究成果采用LBKE湍流模型計算DN板通道內湍流流動過程。LBKE湍流模型的表達式為[11]：

式中：t為湍流黏性系數，kg/(m·s)；為湍流動能，J/kg；為湍動能耗散率；為密度，kg/m3；為時間，s；u、u為速度分量，m/s；x、x為直角坐標分量，m；為流體黏性系數，kg/(m·s)；m、m、k、s、1、1、2、2為模型系數。

3.2 求解策略

本文利用Fluent軟件求解控制方程組并完成計算數據的后處理工作。求解策略為：

1）計算中忽略DN板片導熱熱阻、不考慮沾污的影響；

2）工質為空氣，其物性參數均擬合為關于溫度的二次多項式；

3）邊界條件為速度入口、壓力出口、左右側面周期性邊界、壁面無滑移、恒壁溫；

4）壓力-速度耦合解法為SIMPLEC，對流項離散格式為QUICK，擴散項采用中心差分格式。

4 計算結果及討論

4.1 模型驗證

為了說明本文數值模擬方法的準確性，首先將模擬結果與文獻[13]中的DN板通道實測數據進行了比較。圖3匯總比較了數值計算和瞬態實驗得到的DN板通道傳熱系數因子和阻力系數。由圖3可見，本文數值模擬得到的和值計算偏差分別為 –9.25%~11.38%、–17.46%~13.99%，計算結果和實驗數據較為接近，驗證了本文數值模擬方法的可靠性和準確性。

圖3 DN板通道模擬與實驗j和f值

4.2 速度場和溫度場

選擇DN板通道內4個代表性截面-、-、-和-（圖1c)），其中截面-、-垂直于軸，截面-垂直于斜波紋，截面-垂直于主流方向。截面-、-的速度矢量分布和溫度場模擬結果如圖4—圖6所示。為了更清晰地展示流動形態，速度矢量圖為局部放大后的結果。

圖4 N-N截面速度矢量分布

由圖4可見：-截面內不同對應的速度場均呈現出從左向右的整體流動趨勢；未發現如Ciofalo等人[12]、Zhang等人[14]在CC波紋通道中發現的渦流形態。這是由于DN板和CC板的結構差異造成的，雖然DN板上也設有類似CC板的交錯斜波紋，但DN板上的斜波紋被尺寸更大的凹槽隔開而未能與相鄰的交錯斜波紋形成緊密有效接觸，大幅減弱了DN板通道內交錯流體間的相互作用，從而不足以誘發渦流形態。由于缺少渦流形態，DN板通道內的流體混合、邊界層擾動效果比CC板通道顯著減弱，導致DN板的傳熱系數、阻力系數均小于CC板，這與文獻[13]中的實驗結果一致。

圖5 O-O截面速度矢量分布

圖6 O-O截面溫度場示意

由圖5可見：-截面凹槽段二次流動幾乎不可見，凹槽段內流動與平直通道內流動相近，流股間的相互剪切作用很小；斜波紋段二次流動劇烈，斜波紋段中交錯流體間的相互剪切作用促進了相鄰板片斜波紋通道內流體的相互遷移、混合，進而強化了傳熱。

由圖6可見：隨著增大，DN板通道近壁區的熱邊界層逐漸變薄，傳熱強度逐漸增大；不同對應的工質溫度分布特征相近，均為斜波紋段溫度高，凹槽段溫度低。如前文所述，斜波紋段傳熱能力比凹槽段更優，工質在斜波紋段從DN板壁吸收的熱量更多，故而溫度也更高。

-和-截面上的速度矢量分布、溫度場示意如圖7、圖8所示。圖7、圖8中計算工況對應的工質主流方向為從左向右。由圖7、圖8可見：-截面流動具有典型的波紋通道流動特征，工質流經該截面時對迎風面施加周期性沖刷，所以此處的邊界層較薄，傳熱強度較高；-截面流動則與平直通道內流動相近，對邊界層的擾動效果較差；-截面熱邊界層比-截面的薄。

圖7 L-L和M-M截面速度矢量分布

圖8 L-L和M-M截面溫度示意

4.3 努塞爾數（Nu）分布

圖9展示了計算域底部DN板上的努塞爾數（）分布情況，圖9中顏色由深到淺對應值由低到高。由圖9可見：斜波紋和凹槽迎風面上值較高，強化傳熱效果明顯，這是流體對壁面的沖刷作用造成的；斜波紋和凹槽背風面以及DN板間接觸部位的值則較低；DN板上分布隨的增大而趨于均勻。Gaiser和Kottke[15]在對CC板的實驗研究中也發現了相似的分布現象。

圖9 DN板上Nu分布

為了深入分析對分布的影響，計算了沿DN板寬度方向（圖1中軸）的面積積分平均值分布情況，結果如圖10所示。圖10中將數值計算區域沿軸等分為20份，每份的面積積分平均努賽爾數為Nu，20個Nu中的最大值即為max。由圖10可見：值隨增大而增大，且趨于均勻；隨增大，DN板通道強化傳熱中心從凹槽段向斜波紋段轉移。較小（≤1 381）時，曲線中部（=9~13，凹槽段）出現波峰，凹槽段傳熱系數高于兩側斜波紋段，此時DN板通道中為層流流態，凹槽段流動阻力比斜波紋段小，流量較大，所以凹槽段傳熱系數更高。隨著的增大（≥3 288），斜波紋段強化傳熱效果逐漸顯現，其傳熱系數逐漸接近凹槽段，當增至3 288時斜波紋段平均傳熱系數幾乎與凹槽段傳熱系數峰值持平，當進一步增至5 252時甚至超過了后者。基于上述結果，建議將DN板運行工況控制在合適的雷諾數范圍內，這樣既限制了流動損失又使DN板上的傳熱系數均勻分布，提高了DN板的利用率和使用壽命。

圖10 Re對Nu分布的影響

5 結 論

1）本文采用有限容積法和LBKE湍流模型，對回轉式空預器DN板通道內空氣的流動傳熱過程進行了三維數值模擬研究。研究發現LBKE湍流模型可準確反映DN板通道內流動傳熱過程。

2）DN板通道內交錯流體間的相互作用大為減弱，不足以誘發渦流形態，DN板通道流場中并未發現渦流結構。DN板通道內流動包含波紋通道流動和平直通道流動，其中前者的強化傳熱效果明顯，對整體傳熱貢獻更大。

3）DN板通道斜波紋和凹槽的迎風面值較高，斜波紋和凹槽的背風面及DN板間接觸部位值較低。隨增大而增大，分布隨增大而更趨均勻。

4）建議DN板在約為5 000的條件下運行，這樣既能保證DN板上均勻分布又控制了阻力損失。

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Numerical investigation on heat transfer and resistance characteristics of composite corrugated plate

ZHANG Lei1, DU Juan2, BAI Wengang1, GAO Wei1, WU Shuaishuai1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

The double notched (DN) type corrugated plate heat transfer element is commonly used in rotary air preheaters. To reveal the micro-flow morphology and strengthening heat transfer mechanism in the corrugated channel of the DN plate, the LBKE (Lam and Bremhorst k-ε model) turbulence model and CFD numerical simulation technology are applied to investigate the heat transfer and flow resistance characteristics of the DN plate, including predicting the heat transfer and flow resistance coefficient, and analyzing the flow field and temperature field inside the channel of the DN plate. The results show that, two types of flow are observed in the predicted velocity fields, wavy channel flow and pipe flow. The Nusselt number Nu in upwind surface of the DN plate is larger while that at the leeward side is lower. As the Reynolds number Re increases, the Nu increases and its distribution on the DN plate becomes more uniform. Increasing the proportion of the corrugated structure can enhance the heat transfer capacity of the DN plate, but will also increase the resistance loss simultaneously. It suggests that the DN plate operate at moderate Re values (≈5 000), to obtain the best effect and ensure the uniform distribution of Nu and control the resistance loss.

rotary air preheater, DN plate, corrugated plate, numerical simulation, heat transfer, friction factor

TK124

A

10.19666/j.rlfd.201810199

張磊, 杜娟, 白文剛, 等. 復合式波紋板傳熱與阻力特性數值研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 44-48. ZHANG Lei, DU Juan, BAI Wengang, et al. Numerical investigation on heat transfer and resistance characteristics of composite corrugated plate[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 44-48.

2018-10-31

張磊(1982—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為強化傳熱、換熱器優化設計，zhangleix@tpri.com.cn。

（責任編輯 楊嘉蕾）