微燃气轮机环型回热器数值模拟及实验研究

刘彩赢, 徐之平, 张 磊, 张伟荣, 王崇俊

(1.上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;2.中国航天科工集团第三十一研究所,北京 100074)

微燃气轮机作为一种新型的发动机被广泛应用于分布式发电系统、车辆、航空和船舰上.现有的微型燃气轮机发电功率大都在25～300 kW之间,无回热器时的发电效率为17%～20%,有回热器时发电效率为25%～30%[1].微型燃气轮机中的回热器是一个燃气-空气热交换机,回热器的造价约为整个燃气轮机系统(带回热器)总造价的 25%～30%[2-3].回热器作为微型燃气轮机的关键部件[4],其研究成为微型燃气轮机的重要组成部分,因此,与传统的热交换器相比,对微型燃气轮机回热器的设计及制造提出更高的要求,如低造价、高回热率、低压降、耐高温、寿命长、密封好、高紧凑度及能够进行批量生产等.

文献[5]对用于微型燃气轮机回热器的几种原表面CC(cross corrugated)、CW(cross wavy)、CU (corrugated undulated)及板翅式进行比较,在回热器紧凑度及质量方面,CW、CC型优于板翅式.由于CC型表面加工比较方便且工艺成熟,国外不少学者在实验及数值模拟方面对其进行了大量的研究,获得了有用的数据.文献[6]对回热器换热表面进行了热力计算对比研究,指出从回热器的紧凑度来看, CW原表面优于CC原表面和PF(plate fin)表面,但CC表面的体积和质量远小于其他两种表面.而国内外对CW一次表面研究的文献并不多见.文献[7]通过建立三维模型对截面为梯形通道 TCW (trapezoidal cross eavy)的层流流动及换热进行数值模拟研究,得出TCW的努塞尔数Nu与平直管道相比提高了400%,而摩擦因数与平直管道的摩擦因数相差不大.TCW通道的振幅对增强换热有重要的影响.文献[8]对截面带有圆弧的CW燃气侧单通道的其中一个周期进行了数值模拟研究,指出CW通道的换热比平直通道增加了600%,某种结构的通道增加了3 000%.文献[9]对椭圆、正弦波和抛物线这3种形面的波纹通道的一次表面回热器热性能进行了计算和比较,指出正弦波纹板片构成的芯体总传热系数最大,所需传热面积和板片数目相应最少,同时得出了影响一次表面回热器热性能的重要因素不是几何形状,可能是几何尺寸.文献[10]对CW型回热器芯体内的流动与传热进行了三维模拟计算,结果表明,当回热器的空气总流量和燃气总流量一定时,回热器芯体内的压损和回热度随着波纹层数的增多而降低.增大燃气进口面积与空气进口面积比可使回热度增加、空气侧压损增加、燃气侧压损减少.文献[11]对CW原表面回热器流动与传热进行了实验研究,分析了燃气不均匀性对换热性能的影响,得出了Nu-Re的关系,Re为雷诺数.文献[12]对微型燃气轮机用圆筒形板翅式回热器传热性能进行了实验研究.

但总体来说,大多数有关数值模拟计算的文献都是针对CW通道中某个单元在给定常壁温或者是常热流边界条件及物性为常数条件下进行研究,且通道的当量直径为1.5～2.0 mm.对CW型面一次表面回热器性能的研究及相关的数据还远不能满足工程实际应用的需要.文献[13]通过实验指出,在层流区,当量直径为0.2～1.3 mm的微矩形通道的换热与大槽道的情况有区别.因此,在数值计算中不仅要考虑微小单元还应考虑回热器两侧气体全程通道耦合换热计算和物性参数,以及流动参数沿程的变化.本文对当量直径为1.10～1.54 mm的CW型回热器进行实验研究,并考虑物性参数随密度的变化,对空气与烟气两侧通道耦合换热进行数值计算,为实际工程应用提供参考.

1 实验装置及方法

实验装置如图1所示.实验装置由高压气系统、电加热及辅助换热器系统和测量系统这3部分组成.

图1 实验系统Fig.1 Schematic of the test setup

1.1 实验过程

实验时首先调节气体的流量和压力,高压常温气体由点1流入,经过气气换热器使空气温度升高,由点4进入到低温电加热装置中再次被加热并被稳定在低温侧的设定温度所规定的误差范围,经调控后稳定的气体进入被测回热器的低温侧,与高温流体进行热量交换后流出,由点7和减压阀至点8并进入高温加热装置再加热至高温的设定温度,通过点10进入到回热器高温侧,与低温侧气体进行热量传递,由点11流出,通过气气换热器后由点12排向大气.在此过程中,计算机会根据系统稳定情况记录下当前实验工况的所有数据,完成当前工况的实验,调整至下一工况点.如此反复循环实验,直至所有实验工况完成为止.

1.2 实验方法及数据采集

实验采用等流量稳态法(两侧流量相等,即等流量法),当调整好实验工况点并处于稳定工况时进行数据的电脑自动采集.对于数据采集,只要其流量、温度控制调整并稳定在设定值允许的误差范围内时,电脑便会在规定的时间内取35组数据平均作为一个输出数据点,连续输出3组数据点后进行平均,最终得到一组有效的被测数据.

2 物理模型及数值计算

2.1 物理模型

CW型原表面的环型回热器结构如图2所示,其中的换热芯片如图3所示.参与换热的两股流体使用波纹板隔开逆向流动,高压低温的流体走在芯片里面的通道,而低压高温的流体走芯片外侧.由于空气的密度大且温度低,烟气侧的密度小且温度高,为了平衡匹配空气侧与烟气侧的流动及换热等综合性能,烟气侧的通道比空气侧的大,进口截面如图4所示.

图2 环形原表面不锈钢回热器[2]Fig.2 Annular primary surface stainless steel recuperator

图3 散热芯片外形图Fig.3 Sketch of recuperator core

图4 通道的截面形状Fig.4 Sketch of recuperator channel section

2.2 控制方程及边界条件

本文数值模拟计算采用Gambit 2.2软件建模划分网格,利用现在成熟的商用CFD(计算机动力学)软件Fluent 6.2,基于层流模型对回热器两侧通道的流场及温度进行分析,并采用自适应网格功能使换热及流动计算得到进一步的改善.文献[8]中指出,通道上下是对称的,因此,本文计算区域取相邻两通道的1/2,如图5所示,其中,计算区域模型的进口和出口都加长了直管段,使换热为充分发展的,且避免出口有回流,使数值计算更容易收敛.对不同的CW换热面进行比较,其命名为:CW A-P,A为振幅,P为一个周期长度.如CW0.8-10表示振幅为0.8 mm,周期长度为10 mm.本文所使用的回热器部分参数如表1所示.CW换热表面不同结构计算模型的具体几何尺寸如表2所示.不同模型的当量直径相等,高温侧的为1.36 mm,低温侧的为0.899 mm.

图5 计算区域模型Fig.5 Geometrical model of the computations

表1 环型回热器部分参数Tab.1 Some parameters of annular recuperator

表2 计算模型几何结构参数Tab.2 Values of geometrical variables used in the computations

2.2.1 控制方程

三维稳态变物性流动及热控制方程的通用形式为[14]

连续方程为

动量方程为

其中,Φ分别为u,v,w.

能量方程为

式中,ρ为密度;Φ为广义变量;Γ是相应于Φ的广义扩数系数;S是与Φ对应的广义源项;V为速度矢量;μ为动力黏度;Pr为普朗特数.

2.2.2 边界条件

本文假设气体为理想不可压缩,高压低温气体及低压高温气体均匀分布于各个芯板和各个通道.给定两流体的入口流速、温度,出口为压力出口边界条件,低温与高温之间的不锈钢板部分是耦合的流固换热边界,计算区域的四周取对称及绝热.采用SIMPLE算法求解速度场和压力场,动量及能量守恒方程均采用二阶迎风离散格式.

2.3 数据处理

对于充分发展的流动及换热,壁面的传热特性用Re-Nu或者j-Re的关系式表示,阻力特性用f-Re关系式表示.

式中,qw为单位面积传热量;Dh为当量直径;λ为导热系数;Tw为壁面加权平均温度;Tm为流体的平均温度;AC为单元网格面积;Aa为换热壁面面积;Af为通道流体截面积;S为通道流体截面周长;j为传热因子;f为摩擦因数;Δ P为气阻;L为通道长度.

3 计算结果及分析

3.1 网格质量及实验结果与数值模拟结果比较

为了检测网格质量的可靠性,本文对同一几何结构模型采用不同的网格数,分别为71 324,85 170和112 540的六面体网格进行对比研究.由图6可知,网格数为 71 324,85 170可得的最大误差为6.7%;网格数为85 170,112 540可得的最大误差为3.2%,可见,网格数为112 540就足够了.同时考虑计算成本等,本文以112 540的网格数进行数值计算,且对不同的几何结构取相应最好的网格数量.

图6 换热系数K与雷诺数Re关系图Fig.6 Relationship of K and Re number

对实验数据及数值进行整理,并使用最小二乘原理得到Nu-Re关系.对数值计算结果进行比较,如图7和图8所示,数值计算结果与实验结果的最大误差为10%,最小误差为1.4%;摩擦因数的误差在30%以内.由于实验所测得的结果包括进出口及实物连接口的局部压力损失,所以,此误差是工程所能接受的,因此,数值计算的模型选取及方法是可行的和有效的.

图7 努塞尔数与雷诺数关系图Fig.7 Relationship of Nu number and Re number

图8 摩擦因数与雷诺数关系图Fig.8 Relationship of f and Re number

3.2 结构参数的影响

对微燃气轮机回热器来说,换热及流动特性是两个重要的性能指标.影响CW型回热器的传热及流动特性的主要是振幅及周期长等几何参数.本文对不同结构的模型计算结果如图9所示.随着CW通道的振幅的增加,换热增强;而随着CW通道的周期长度的增加,换热减小.原因是振幅增加和周期长度减小时,流体的扰动加强,同时破坏了层流边界层,使换热得到强化.但是,通道内的阻力相应地有所增加.

图9 努塞尔数与雷诺数的关系Fig.9 Relationship of Nu number and Re number

3.3 不同结构的CW型面的传热及阻力特性比较

对微燃气轮机回热器型面的设计及优化不仅要求换热面具有较高的对流换热系数,而且要求气体在换热面之间的流动压降较小,通常将传热因子j和摩擦因数f的比值作为衡量换热器表面性能优越的标准,j/f越大,表明传热表面性能越优越,由图10可见,CW0.8-13和CW0.8-13的表面性能比较优越,可在回热器设计时优先考虑.

图10 表面j/f与Re关系图Fig.10 Relationship of j/f and Re

4 结 论

a.通过对数值计算结果与实验结果进行比较可知,数值计算结果在误差允许范围内,证明了本文的方法的可行性和有效性.

b.在相同的当量直径下,保持其他几何参数不变,增大CW通道的振幅,可使换热得到强化.

c.在相同的当量直径下,保持其他几何参数不变,CW通道换热随着周期长度的减少而增强.

d.通过对不同结构的CW通道传热及阻力特性进行比较,得出CW0.8-13和CW0.8-13的表面综合性能比较优越,本实验为产品改造及优化提供了参考.

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