大型结冰风洞蒸发器气流温度均匀性研究

张平涛 王文瑄 郭向东 陈 良 侯 予

(1 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室 绵阳 621000)

(2 西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049)

1 引 言

大型结冰风洞是开展飞行器结冰与防除冰研究的重要地面设备,结冰风洞换热器出口气流温度均匀性好坏决定了结冰风洞热流场品质和试验质量效率。前期风洞校测数据表明,试验风速、模拟高度、喷雾及防冰热气等因素均会对换热器出口温度均匀性造成一定影响。为进一步优化提高结冰风洞热流场品质,急需对其换热器热力学性能开展相关研究[1-2],目前国内外关于普通换热器换热均匀性有大量研究,但是还没有关于大型蒸发器的研究。

在风洞热流场和换热器换热均匀性研究方面,Carl E.Jauch[3]等发现在传统的翅片管换热器中每个单独的模块上安装流量平衡阀可以进行温度均匀性调整。赵波[4]采用工程计算及数值模拟的方法,对0.6 m 跨超声速风洞换热器性能进行了数值模拟和优化设计,发现采用交错进水的方式可以很好的改善温度场均匀性。上述研究主要针对常温风洞,而大型结冰风洞中采用液氨蒸气压缩制冷系统及大型液氨蒸发器实现气流降温,使得大型结冰风洞蒸发器流动换热工况十分复杂,需要针对蒸发器管内氨液两相流动换热、流量分配和控制和翅片管空气对流换热等开展深入研究。为了考量大型蒸发器的高度落差对蒸发器后气流温度场不均匀性的影响,本研究基于氨两相流动换热系数与压降的实验关联式建立了换热器一维热力学模型,并且考虑蒸发器前后阀门特性及液氨静压与蒸发温度的变化,针对导致蒸发器气流场温度不均匀性的原因及调节方法开展研究。

2 结冰风洞换热器仿真模型

2.1 模型简化与控制方程

大型结冰风洞换热器如图1 所示。换热器分为左右两部分,每部分高度8 m,宽度7 m,在高度方向上分为4 个模块。为减少次要变量干扰和精简计算过程,假设换热器入口气流速度和温度均匀,将换热器管内外流体简化为一维流动,采用实验关联式进行流动压降、流体与管壁/翅片换热计算,同时考虑换热器各模块进出口阀门流量特性对管内氨液分配与蒸发压力的影响,将换热器结构按从上至下分为第1 模块、第2 模块、第3 模块和第4 模块,在MATLAB 平台上建立进液阀-换热器-回气阀系统热力学仿真模型。

图1 结冰风洞液氨蒸发器总体结构及计算单元划分示意图Fig.1 Schematic diagram of ammonia evaporator in icing wind tunnel and simulation unit

连续方程和能量方程方程采用一维形式,动量方程简化为稳态压降计算公式。

式中:ρ为换热流体密度,kg/m3;u为流体平均速度,m/s;为单位换热量,Wm3;h为焓值,J/kg。

换热器低温管路两相流动计算主要针对两方面:压降特性与换热特性[5-7]。在压降计算部分,使用分相模型,首先计算单相流体的压降dPLO,然后通过液相系数修正因子计算两相压降。采用Blasius 公式计算换热器管内氨液紊流流动对应的单相摩擦因子。采用合成法(Chen’s model)进行管内两相流动换热系数计算,包括核态沸腾部分的换热系数和对流蒸发的换热系数。大型换热器的高度落会差造成各模块入口氨液过冷度不同,高度落差越大过冷度越大。在这种情况下,需要考虑管内液体单相流动换热的情况,采用Dittus-Boelter 公式预测对流换热系数。空气侧为强制对流换热,考虑翅片对换热的强化作用,按照翅管式换热器空气侧流动公式进行计算[8]。

2.2 阀门流量特性计算

换热器氨液管路入口是流量调节阀,出口是压力调节阀,通过两个阀门组合调节控制管内氨液流量和蒸发压力。

表1 换热器进出口阀门参数Table 1 Inlet and outlet valve parameters of heat exchanger

直线流量特性下,氨液阀门流量与开度关系如下:

式中:L/Lmax为开度,R为理想可调阀门参数,一般取值为30。阀门Kv值计算公式为:

3 模型验证

研究中使用的试验数据来源于中国空气动力研究中心。采用换热器后气流温度试验数据对仿真模型进行验证,共完成了8 个试验工况下的数据对比,工况条件设置见表2。

表2 换热器出口气流温度验证数据Table 2 Verification data of heat exchanger outlet airflow temperature

图2 进行了模型预测值与试验数据的对比,均方根偏差为0.43 ℃符合精度要求。工况1 和工况2 的数据对比表明气流温度随着蒸发器高度由高至低逐渐升高,计算结果与试验结果趋势一致。通过不同高度模块流量分布可以看出,缺液导致的换热不足是造成换热器后气流温度场不均匀的因素之一。

图2 出口气流温度结果对比、两组试验工况下换热器后气流温度与各模块流量Fig.2 Comparison of outlet air temperature,airflow temperature after evaporator and flow rate of each module under two test conditions

4 换热器出口气流温度场均匀性仿真

4.1 换热器单元高度对气流温度场均匀性影响

饱和氨液流经分液器后进入不同换热器模块单元,高度落差造成各单元管内氨液蒸发压力不同。表3和表4 的研究结果表明随着低循桶压力的降低,换热器出口气流场最大温差由2.2 ℃变为2.7 ℃。这是因为在入口氨液压力较低时,饱和温度-压力变化曲线梯度变大,引起的蒸发压力变化更为显著,最终导致气流温度场均匀性变差。

表3 不同工况下换热器不同模块出口温度Table 3 Outlet temperature of different modules of heat exchanger under different working conditions

表4 不同工况下换热器不同模块管道出口压力Table 4 Outlet pressure of different modules of heat exchanger under different working conditions

4.2 风速对温度场均匀性影响

设计了5 个不同的风速工况研究其对温度场均匀性的影响,各风速大小见图3,其余条件相同。由图3 可知,在风速逐渐增大的情况下,换热器出口温度升高,其出口最高温度和最低温度的差值变小。这是因为在低风速下换热器负荷较低,空气与氨液换热温差较小,换热器管内氨液饱和温度和流量变化的影响更为明显。而在高风速情况下,换热器负荷大,空气流经换热器的有效换热时间缩短,空气与氨液之间存在较大换热温差,使得管内氨液两相换热对气流场温度均匀性的影响减小。

图3 不同风速工况出口气流温度分布及温度场温差变化图Fig.3 Temperature distribution of outlet airflow and temperature difference change of temperature field under different wind speed conditions

4.3 模拟高度对温度场均匀性影响

设计了5 个不同的模拟高度工况研究其对温度场均匀性的影响,高度大小见图4,其余条件相同。由图4 可知,在模拟高度逐渐增大的情况下,换热器出口温度降低,其出口最高温度和最低温度的差值变大。模拟高度增大会导致空气侧的压力下降,引起空气的导热系数、密度和热容下降。导热系数下降导致对流换热系数与换热器换热量由2 180 kW 降低至1 190 kW,而密度和热容的下降则导致在换热量变小的情况下换热器进出口温差变大。

图4 不同试验高度工况出口气流温度分布及温差变化Fig.4 Temperature distribution and temperature difference change of outlet airflow under different test altitude conditions

4.4 换热器入口气流温度对温度场均匀性影响

设计了5 个不同的换热器入口气流温度工况研究其对温度场均匀性的影响,换热器入口温度大小见图5,其余条件相同。由图5 可知,在换热器入口温度逐渐变小的情况下,进出口温降变小,空气与氨液换热温差变小,换热器出口气流温度场差异随之减小。相比气流速度和试验模拟高度,换热器进口气流温度对其出口温度均匀性的影响较小。

图5 不同进口气流温度工况下出口温度分布及温差变化Fig.5 Outlet temperature distribution and temperature difference change under different inlet air temperature conditions

5 气流场温度均匀性调节

各模块管内氨液蒸发压力和流量的差异是导致气流场温度不均匀的主要因素。为了改善温度场均匀性,可以调节回气阀开度,使得各模块蒸发压力差异减小,或者调低进液阀门开度使换热器顶部模块的流量小于底部模块流量,通过管内换热系数调节弥补换热温差的差异,从而实现对温度场均匀性的控制。表5 设计了3 个工况进行气流场温度均匀性调节研究。原工况中进液阀开度均为5%,回气阀开度均为100%。在此基础上将进液阀开度从上至下4 个模块分别调整为20%,15%,5% 和1%,将回气阀开度从上至下调整为1%,5%,60%,100%,对换热器后气流场温度均匀性进行调节。

表5 气流场温度均匀性调节计算工况表Table 5 Airflow field temperature uniformity adjustment calculation condition table

图6 的仿真结果表明换热器出口温度场均匀性得到改善。主要原因是顶部模块管内饱和压力提高使得氨液蒸发温度差异减小以及顶部模块氨液流量减小使得管内两相换热系数降低,两者共同影响改善了气流场温度均匀性。

图6 3 种工况下换热器出口气流场温度变化Fig.6 Temperature change of airflow field at outlet of heat exchanger under three working conditions

6 结 论

本研究针对大型结冰风洞换热器建立一维流动换热仿真模型,仿真结果与试验数据对比验证了模型的准确性。研究了换热器单元高度、入口风速、试验高度以及入口温度对换热器出口温度场均匀性的影响,并提出了温度均匀性调节方案,得出以下结论:

(1)换热器的高度落差会造成入口过冷度和蒸发压力差异以及氨液流量分配不均匀,导致换热器后气流温度由上至下逐渐升高。随着试验气流温度的降低,静压差造成的蒸发温度差异增大,换热器出口气流温度场均匀性变差。

(2)换热器入口气流速度和试验模拟高度对其出口气流场温度均匀性影响显著:随着气流速度减小和试验模拟高度的升高,换热器后气流场温度最大温差增大;换热器入口温度对其出口气流场温度均匀性影响较小。

(3)对进液阀-换热器-回气阀系统中的阀门开度进行调节,通过改变不同模块氨液流量和回气阀压降以减小静压差导致的蒸发压力差异,可改善换热器出口气流场温度均匀性。