超流氦系统负压低温板翅式换热器新型波纹-锯齿翅片的性能研究

郝鸿伟, 文键, 赵欣, 李超龙, 王斯民, 厉彦忠

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安; 2.西安交通大学化学工程与技术学院, 710049, 西安)

一些大型科学装置需要超流氦低温系统来提供冷量,对超导腔或超导磁体进行冷却。负压低温换热器是超流氦低温系统的重要部件,其流动换热性能直接影响着系统的性能及可靠性[1-2]。超流氦系统内的负压低温板翅式换热器,由于其工作特性,对流动换热综合性能要求很高。锯齿翅片主要通过翅片的交错来破坏流动传热边界层进而达到强化传热的目的,而波纹翅片则主要通过波纹结构,使流体在通道内的流动方向不断发生变化从而强化传热。许多学者对板翅式换热器翅片的表面性能进行相应的理论和实验研究[3-9],但由于负压低温换热器特殊的工作环境,且低温下实验数据获取困难,目前其设计还主要依靠工程经验进行测试调整,没有成熟的设计方法和流程。在理论研究方面,王哲等针对超流氦系统的负压低温换热器,在考虑了低温下变物性和轴向导热的基础上开发了一种准一维换热器计算模型,并对一个实际工况进行了换热器的相关设计[10]。李超龙等对锯齿翅片通道在负压低温工况下的性能进行了研究,并对其流动传热关联式进行拟合[11];文献[12-14]均对负压低温换热器的换热及压降性能进行了相关研究。实验研究方面,Treite等将板翅式换热器应用于为费米实验室设计的1.8 K超流氦低温系统中[15];Roussel等对欧洲粒子物理研究中心的250台负压低温换热器进行了室温及低温性能测试[16-17];Kumar等通过对负压低温换热器进行优化将2 K超流氦的产率提高了7%[18-19]。Han等构建了负压低温换热器的计算模型且对其结构参数进行了优化设计,并与实验结果进行了对比验证[20]。

本文针对超流氦系统内负压低温换热器的具体工况,在波纹翅片和锯齿翅片的基础上进行改进,把波纹翅片每间隔一段长度切开并交错布置,形成锯齿翅片的效果,得到了新型波纹-锯齿翅片。通过对锯齿翅片、波纹翅片、新型波纹-锯齿翅片3种通道的性能进行对比,分析新型波纹-锯齿翅片特有的几何结构参数对其表面特性的影响规律,可为超流氦系统内负压低温板翅式换热器的性能优化提供理论基础。

1 几何模型及数值方法

1.1 新型波纹-锯齿翅片通道的结构特征

图1给出了一种波纹-锯齿翅片通道结构示意图。波纹-锯齿翅片包含两种翅片类型的常规结构参数,分别为翅片高度h、翅片间距s、翅片厚度t、波纹长度w、双波高2A、翅片节距l。为了更好地描述波纹-锯齿翅片,定义了新的结构参数锯齿密度如下

(1)

锯齿密度指单个翅片节距内翅片的波纹周期数,将l与w结合在一起,可以更好地对波纹-锯齿翅片进行描述,图1所展示的波纹-锯齿翅片m=1,即翅片节距与翅片波长相等。当锯齿密度为0.25的偶数倍时,翅片的交错位置处于波纹周期上振幅为0的位置;当锯齿密度为0.25的奇数倍时,翅片的交错位置处于波纹周期上波峰和波谷的位置。

(a)轴测图

(b)俯视图图1 波纹-锯齿翅片通道结构示意图Fig.1 Schematic diagram of sine-offset fin channel structure

对于波纹-锯齿翅片,其当量直径定义如下

(2)

式中lflow为流体在翅片通道内的流动长度。

1.2 计算模型构建

图2为波纹-锯齿翅片通道的计算模型,翅片的结构参数为:h=6.5 mm,s=2 mm,t=0.3 mm,w=9 mm,2A=2 mm,m=1,翅片通道由波纹-锯齿翅片、上下隔板、流体入口延长段及出口延长段组成。具体工况为:负压氦气的入口温度为3 K,采用速度入口边界条件,压力出口边界条件,出口背压为2 kPa,氦气流动的雷诺数在1 000～5 000之间;模型的左右两侧采用周期性边界条件;上下隔板外表面采用恒温边界条件,壁温为4 K。流固接触位置采用耦合壁面。

图2 波纹-锯齿翅片计算模型Fig.2 Calculation model of sine-offset fin

通过SIMPLE算法进行求解,采用二阶迎风格式对动量和能量方程进行离散,负压低温氦气流动的Re范围是1 000～5 000,属于湍流状态,采用RNGk-ε湍流模型进行模拟计算。当各方程计算残差均小于1×10-6时,认为计算收敛。求解中涉及的连续性方程、动量方程和能量方程,可参见文献[9]。

1.3 数据处理

通过数值模拟的方式,采用传热因子j和摩擦因子f对翅片通道的传热及流动性能进行评价分析,计算公式如下

(3)

(4)

式中:Δp为通道压力降;G为质量流量;L为翅片通道总长度。

采用综合性能因子FTEF作为换热器综合性能的评价准则,计算公式为

(5)

1.4 网格划分及模型验证

采用六面体网格,并对流固体耦合界面处的网格进行加密,生成的网格示意图如图3所示。同时,对生成的网格进行了独立性验证,当网格数为2 536 452时,j和f的变化幅度在1%以内。因此,采用该网格划分方式来对后续的翅片通道进行模拟。

图3 波纹-锯齿翅片局部网格划分示意图 Fig.3 Schematic diagram of local grid generation of sine-offset fin

因为缺乏波纹-锯齿翅片的相关实验数据,为验证数值模型的有效性,本文通过Kays研究中的编号为11.5-3/8W的波纹翅片[21]进行模型验证,结果如图4所示。在所研究的雷诺数范围内,j及f的平均绝对偏差分别为3.16%和4.37%,最大偏差分别为4.94%和5.69%,数据吻合很好。因此,认为该计算模型可以准确地反映出波纹-锯齿翅片通道内的流动换热性能。

图4 实验验证结果Fig.4 Experimental verification result

2 计算结果及分析

2.1 翅片通道内流动换热分析

图5是Re为1 000、负压氦气入口温度为3 K、上下隔板温度为4 K、操作压力为2 kPa时波纹-锯齿翅片通道内的局部流线和温度分布云图,截面位于y=h/2处。由图可以看出,在翅片通道的中间部分,氦气的流动方向不断发生变化,同时在翅片的交错处,由于通道横截面积减小,氦气的流动速度明显增大,在翅片的正后方形成一个低流速尾流区。在波纹翅片内部,在波峰和波谷的内侧区域及外侧区域,分别形成了局部的低流速区域和高流速区域,同时在波峰和波谷的内侧区域形成了明显的涡旋区域。由于翅片交错的影响,波峰内侧的涡旋区域明显小于波谷位置的涡旋区域。氦气沿流动方向温度逐渐升高,温度场与速度场基本对应,在波峰波谷的内侧低速涡流区及翅片的正后方的低速尾流区,流体温度相对较高;在通道的中间区域,氦气流速较大,温度较低。

(a)流线分布云图

(b)温度分布云图图5 波纹-锯齿翅片通道物理场分布图Fig.5 Physical field distributions in sine-offset fin channel

2.2 3种翅片通道性能对比

为研究波纹-锯齿翅片通道与波纹翅片和锯齿翅片通道内流动换热性能的差异,分别对3种翅片通道类型进行模拟,其具体结构参数如表1所示,锯齿翅片通道及波纹翅片通道内的局部流线分布如图6所示。对于锯齿翅片通道,氦气的流动较为平稳,在翅片的交错处,氦气的流动速度明显增加;对于波纹翅片通道,在波峰和波谷的内侧区域,主流难以流经,形成了明显的涡旋区域,涡旋区域氦气的流速也相对较低。结合图5对比可以发现,波纹-锯齿翅片通道内速度分布的不均匀性更高,形成的涡旋区域也明显大于波纹翅片通道,说明波纹-锯齿翅片通道内流体的扰动更强。

表1 不同类型翅片的结构参数

(a)锯齿翅片通道流线分布云图

(b)波纹翅片通道流线分布云图图6 锯齿翅片及波纹翅片通道流线分布云图Fig.6 Streamline distributions in offset fin channel and sine-wavy fin channel

计算结果对比如图7所示。在所研究的Re范围内,波纹-锯齿翅片结构的j最大,相较于波纹翅片及锯齿翅片,j分别提升19.97%～38.22%和25.09%～33.83%,而f从小到大依次为锯齿翅片、波纹翅片和波纹-锯齿翅片。这是因为波纹-锯齿结构结合了两种翅片结构的强化传热机理,在翅片节距内通过二次流增强流体的搅混,在翅片交错处通过交错翅片对流动边界层进行破坏,进一步增强湍动。这使得波纹-锯齿翅片结构相较于单独的波纹结构和锯齿结构,传热性能增强十分显著,也导致了压降的增加。波纹-锯齿翅片结构的FTEF高于锯齿翅片和波纹翅片,并且不同翅片结构之间的这种差异在Re越小时越明显,即在较低的Re时,波纹-锯齿翅片的综合性能提升较为明显。由此说明,在实际负压低温板翅式换热器的设计中,当换热器运行在较低的Re工况下时,可以考虑以波纹-锯齿翅片替代锯齿翅片或者波纹翅片,从而提高换热器的综合性能。

(a)j和f随Re的变化曲线

(b)FTEF随Re的变化曲线图7 不同翅片结构的j、f和FTEF随Re的变化曲线Fig.7 Variation of factor j,factor f and factor FTEF with Re for different fin structures

2.3 翅片参数对翅片性能的影响

对于波纹翅片及锯齿翅片,已存在大量关于翅高、翅距及翅厚对翅片表面性能影响的研究,因此本文主要对其波长、双波高及特有的结构参数锯齿密度对翅片性能的影响进行研究。

2.3.1 翅片波长对翅片性能的影响 在雷诺数为1 000～5 000的范围内,不同翅片波长对j和f的影响如图8所示,j及f均随波长的减小而增大,波长越小,波纹结构越明显,翅片通道内二次流的形成和脱离更容易,对负压低温氦气流动的扰动更强,边界层破坏更彻底,且波长越小时,f的变化率越大。波长每增大3 mm,j就降低8.47%～17.03%。翅片波长从6 mm增大到9 mm,f降低49.79%～60.20%;翅片波长从9 mm增大到12 mm,f降低28.29%～35.35%。这说明减小翅片波长会大幅增加翅片通道的流动阻力损失,由于负压低温换热器对压降要求很高,不适宜选用波长过短的波纹-锯齿翅片。

图8 不同翅片波长时j和f随Re的变化曲线Fig.8 Variation of factor j and factor f with Re at different fin wavelengths

2.3.2 翅片双波高对翅片性能的影响 在雷诺数为1 000～5 000的范围内,不同翅片双波高对j和f的影响如图9所示,双波高越大,j和f越大。双波高每增加1 mm,j增大6.19%～12.24%,f增大41.20%～52.84%。这说明双波高越大,流体在波峰和波谷处的扰动越强,翅片强化传热的作用越明显,但同时负压低温氦气流动方向与翅片表面的夹角也会增大,冲击翅片表面所带来的摩擦阻力损失也就急剧增加。此外,随双波高的增大,通道内二次流的形成和脱离更容易,也会增大流体内部的摩擦阻力损失,使翅片的流动性能下降。由于负压低温换热器对压降要求很高,在实际负压低温板翅式换热器波纹翅片的设计过程中,需要根据运行工况优先选择双波高更小的波纹-锯齿翅片。

图9 不同翅片双波高时j和f随Re的变化曲线Fig.9 Variation of factor j and factor f with Re at different fin double waveheights

2.3.3 锯齿密度对翅片性能的影响 在雷诺数为1 000～5 000的范围内,不同锯齿密度对j和f的影响如图10所示,随锯齿密度的增大,j逐渐减小,且锯齿密度越小,这种变化越明显,锯齿密度每增加0.25,j降低0.86%～6.30%,锯齿密度越大,相邻翅片交错处的间隔越长,流动边界层不能及时被破坏,因而传热性能下降。f随锯齿密度的增加先增大后减小,当锯齿密度为0.75时f最大。一方面是由于锯齿密度越小,氦气在翅片交错处的局部阻力损失更为频繁;另一方面对于锯齿密度为0.75和1.25的翅片,其翅片交错处是通道内二次流的形成位置,翅片的交错破坏了这种稳定的二次流,降低了二次流所导致的通道内流动性能的衰减。因而,锯齿密度为0.5的翅片综合性能优于锯齿密度为0.75的翅片,锯齿密度为1的翅片综合性能也优于锯齿密度为1.25的翅片。对于锯齿密度为0.5、1、1.5的3种交错位置处于波纹振幅为0位置的波纹-锯齿翅片,应优先选择锯齿密度较低的翅片。在实际负压低温板翅式换热器波纹翅片的设计过程中,需要区分翅片的交错位置不同的波纹-锯齿翅片。

图10 不同锯齿密度时j和f随Re的变化曲线Fig.10 Variation of factor j and factor f with Re at different fin offset densities

3 结 论

本文结合波纹翅片和锯齿翅片的结构特点加以改进,提出一种新型的波纹-锯齿翅片结构,对负压低温氦气在波纹-锯齿翅片通道内的流动换热性能进行研究,对比了波纹翅片、锯齿翅片和波纹-锯齿翅片的流动换热性能,研究了翅片结构参数对翅片性能的影响,得出如下结论。

(1)波纹-锯齿翅片通道内流场分布兼具锯齿翅片通道和波纹翅片通道内流场分布的特征,既在翅片的正后方形成一个低流速尾流区,又在波峰和波谷的内侧区域形成了局部的低流速涡旋区域,通道内温度场与速度场基本对应,流速大的位置区域温度较低,流速小的位置区域温度较高。

(2)相较于单独的波纹结构和锯齿结构,波纹-锯齿翅片的传热性能更好,相较于波纹翅片和锯齿翅片,j分别提升19.97%～38.22%和25.09%～33.83%。虽然波纹-锯齿翅片的阻力最大,但流动换热综合性能比单一的波纹和锯齿翅片好,尤其在较低的Re时更明显。

(3)波纹-锯齿翅片通道的各个结构参数对翅片性能的影响各有不同,在研究范围内,减小翅片波长、增加翅片双波高均可强化传热,但也会增大流体内部的摩擦阻力损失;j随锯齿密度的增加而减小,锯齿密度每增加0.25,j降低0.86%～6.30%;随锯齿密度的增加,f先增大后减小,当锯齿密度为0.75时f最大。