高温高压空气管道散热特性模拟分析

肖书博， 廖池珍， 张 滢， 龙激波， 申小杭

(1.中航长沙设计研究院有限公司，湖南 长沙，410014；2.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105 3.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

飞行器风洞试验常需要各种温度和压力工况的空气，而且试验空气的管道输送系统需要满足各种空气温度和压力工况的转换.因空气是一种含有水蒸气的混合气体，其物理性质和化学性质比较复杂，制备高温高压试验空气的工艺复杂且能耗较大.因此，试验空气的输送管道需要满足各工况的热工特性，如高温高压空气输送管道需要具备良好的保温特性，而高温工况转换为常温工况的过程需要管道有足够的散热速度.

采用保温材料对高温高压管道保温是一种常用的节能方法.管道保温不仅可以减少管道热损失、维持稳定的热力状态，还具有环保和经济优势[1-4].相同保温层厚度下，保温材料的导热系数越小，其保温性能越好[5].为了提高管道的保温性能，科研人员在新型保温材料开发[6]、管道保温材料选择[4]、流体介质及管径与保温材料厚度匹配性[7-9]等方面，利用实验方法和模拟方法等对管道保温性能进行了大量研究.俞李斌等[10]通过焓降法与热流计法对不同保温结构供热管道的保温性能进行了研究分析，岳师华等[11]研究了保温材料工作温度和材料含温量对保温性能的影响，Zhang等[12]利用MATLAB软件对基于LCCA法的管道保温厚度优化进行热经济性评价，高月芬等[13]从经济角度分析了聚氨酯直埋供热管道的保温性能.Yan等[14]以管道能量损失为目标参数对管道系统进行了布局优化.

保温材料导热系数是影响管道保温性能的关键因素.不同保温材料的导热系数各不相同，相同材料的导热系数也与其结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关.对于试验用高温高压空气输送管道，保温材料正常工作时保温层不同厚度的温度相差较大，而且试验空气的不同温度工况转换对保温层温度变化也较大，这种变化将影响保温材料导热系数的动态变化.为了明确导热系数动态变化对高温高压管道散热性能的影响，本文以硅酸铝棉保温材料为例，建立试验空气保温管道的散热模型，并对其动态散热性能进行模拟研究.

1 模拟分析

1.1 管道散热物理模型

高温高压气体管道导热散热模型如图1所示.管道内气体的散热过程，包括管道内气体内部传热、管道内气体与钢管内壁对流换热、钢管内部导热、保温层内部导热、保温层外表面和环境空气对流换热.设钢管内径为r0，钢管外径为r1，保温层外径为r2.各材料的物性参数如表1所示.

表1 材料物性参数

1.2 传热分析

在模拟中，管道是非旋转或移动的，且保温层内无内部热源，保温层传热方程可表示为

(1)

(2)

保温层内表面和外表面的边界条件分别为

(3)

(4)

式中：ρ为保温层密度,kg/m3；H为保温层显焓,J/kg；λ1为钢管的导热系数,W/(m·K)；λ2为保温层的导热系数,W/(m·K)；c为保温层热容,J/(kg·K)；Ta为环境空气温度,K；T1为管壁外表面温度, K；T2为保温层内表面温度,K；T3为保温层外表面温度,K；qca为保温层外表面与环境空气的对流换热量,W；hf为保温层外表面的对流换热系数,W/(m2·K).

1.3 计算模型

设定管道管径为DN500，外径为508 mm，壁厚为26 mm；保温层厚度为200 mm.计算模型管道10 m，尺寸为10 000 mm×454 mm × 454 mm(X×Y×Z).利用Gambit对模型进行网格划分，采用六面体/楔形(Hex/Wedge)网格.计算模型的尺寸和网格划分如图2所示.

1.4 模拟条件设置

高温高压气体管道散热分析，采用FLUENT软件进行三维数值传热模拟，开启能量方程模拟热量传递.气体在管道内的流动可看作完全湍流，故采用增强壁面函数的Standard k-epsilon模型.采用SIMPLE算法求解压力速度耦合方程，动量、能量方程选用二阶迎风格式.在传热过程中，保温层的导热系数随着温度变化而变化，根据标准GB/T 16400—2015，设置材料物性参数中保温层的导热系数值为以温度为自变量的分段函数.模拟为简化模拟计算，对模型做如下假设：(1) 忽略沿管道长度方向的导热；(2) 管道内气体、环境空气、管道材料等具有常物性；(3) 忽略管道内气体因温度差而产生掺混.

当不考虑流体沿管道长度方向的传热，管道两侧设置为绝热边界条件，保温层外表面设置为对流边界条件，边界条件设置如表2所示.

表2 模型边界条件设置

2 模拟结果与分析

2.1 保温材料导热系数

温度是影响高温管道保温材料导热系数的重要因素，不仅包括管道内流体温度变化对材料导热系数的影响，也包括管道内高温流体工况对保温层径向温度变化的影响.常温下硅酸铝棉的导热系数为0.021 W/(m·K)，根据《绝热用硅酸铝棉及其制品GB/T 16400—2015》推荐的硅酸铝棉导热系数计算方法，通过拟合可以得到其导热系数与温度变化关系如图3所示.

拟合后的硅酸铝棉保温材料导热系数可表示为

λ=2×10-7t2+9×10-5t+0.0164.

(5)

在70 ℃至600 ℃范围内，拟合后的R平方(COD)为0.997 2，两条曲线吻合度较高.从图3可以得到，硅酸铝棉的导热系数随温度升高而增大，且温度变化对其导热系数的影响较大.温度由常温升高至600 ℃，其导热系数由0.021 W/(m·K)增大为0.158 W/(m·K)，导热系数增大为原来的7.5倍.因此，在设计选择保温材料时，不仅要考虑常温工况材料的导热系数，还要考虑导热系数随温度的变化特性，根据管道运行工况合理设计保温材料.

2.2 稳态工况散热

若设定管道保温层厚度为200 mm、管道入口气体温度为580 ℃、流速为17 m/s，环境温度为20 ℃，以保温材料导热系数变化规律为条件，得到稳态传热工况的温度分布和实际导热系数如图4所示，管道保温层厚度从100 mm增加到300 mm时，保温层厚度与管道散热量关系如图5所示.

从图4可以得到，在稳态传热工况下，圆管保温层的导热系数和温度分布沿径向(厚度方向)逐渐减小，其中导热系数沿径向基本呈线性规律变化，导热系数由580 ℃的0.151 W/(m·K)逐渐减小为70 ℃的0.021 W/(m·K)，而温度分布沿径向的温度梯度逐渐增大.

除了良好的保温材料以外，保温层厚度也是影响管道热损失的关键因素.从图5可以得到，管道与环境的换热量随保温层厚度的增加而减少，且保温层厚度越小，厚度变化对管道热损失的影响越大.保温层厚度分别为100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm时，10 m长DN500管道的散热量分别为7 159 W、5 212 W、4 204 W、3 593 W、3 171 W.保温层厚度每增加50 mm，管道散热损失分别减少27.2%、19.3%、14.5%、11.7%.说明在计算工况的保温层厚度变化范围内，管道散热量相对于保温层厚度的变化率随保温层厚度增加而逐渐减小，管道保温层厚度较大时，管道热损失越小，增大保温层厚度对减少热损失越不明显.

2.3 高温自然冷却散热

管道自稳态工况停止供气后，进入自然冷却的非稳态传热工况.自然冷却工况的管道内壁温度和散热量随时间的变化分别如图6和图7所示.

从图6可以得到，管道从稳态工况的流体温度580 ℃开始自然冷却，初始阶段管道内壁的温降速率较大，随着自然冷却时间增长，管道内壁的温度逐渐降低，温降速率也逐渐减小.而且内壁的温降速率与保温层厚度有关，保温层厚度越大，则初始阶段内壁的温降速率越小.影响自然冷却工况下管内壁温度变化趋势的因素主要有两个方面：一是随着冷却时间增长，管内壁温度降低，减小了管内外表面的传热温差，从而减小了实时传热量；二是在自然冷却过程中，保温层的温度也不断降低，导致保温材料的实时导热系数减小，增大了保温材料的热阻并减小了通过保温材料的散热量.自然冷却两天后，100 mm保温层的管道内壁温度从567 ℃降到233 ℃，温降幅度最大；300 mm保温层的管道内壁温度从574 ℃降到372 ℃，温降幅度最小.10 d后，保温层厚度分别为100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm管道的内壁温度分别降至50 ℃、77 ℃、100 ℃、122 ℃、141 ℃.减小保温层厚度，有利于自然冷却工况下管道内热量散失.

从图7可以得到，管道散热量的变化趋势与温度变化趋势类似.随着散热时间增长，单位时间内管道散热量逐渐减小.自然冷却开始时，保温层厚度分别为100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm管道的散热量分别为7 159 W、5 212 W、4 204 W、3 593 W、3 171 W，其中100 mm保温层的散热量为200 mm的1.70倍、300 mm的2.26倍.保温层较薄的管道虽然其初始散热量较大，但其散热量的变化率也大，自然冷却36 h左右各厚度保温层的散热量相等，为1 950 W.随着冷却时间增长，管道散热量继续减小，且保温层较厚管道的散热量大于较薄管道.其原因是，冷却初始阶段保温层较薄时其热阻小，散热量较大，然而，随着散热时间增长，较薄保温层管道的热量损失和温降幅度都较大，导致管道内外传热温差小于较厚保温层管道，另外，保温层温度降低，其导热系数也下降，增大了保温层热阻，进一步减少了较薄保温层管道的散热量.

2.4 高温强制冷却散热

高温管道除了自然冷却外，还可以对管道内通常温空气强制冷却，设强制冷却空气温度为20 ℃、气体流速为17 m/s，钢管温度随冷却时间变化如图8所示.

从图8可以得到，钢管从580 ℃开始冷却，管道内壁温度随时间增长而降低，且温降速率逐渐减小.冷却时间达到90 min时，保温层厚度分别为100 mm、200 mm、300 mm,管道的内壁温度均降至100 ℃左右，这说明在常温气流吹扫冷却工况下，保温层厚度对管道内壁温度实时值的影响较小.这是因为管道与内部空气的传热系数比管道通过保温层与外部空气的传热系数大得多，管道的热量绝大部分通过管内空气散去.管道保温层厚度对其散热量有影响，但影响很小，不同厚度的保温层的管道温度变化几乎相同.

3 结论

本研究分析了高温高压空气输送管道的保温性能.建立了DN500空气输送管道模型，以硅酸铝为保温材料、管内空气温度580 ℃为运行工况，对管道保温与散热特性进行了模拟研究，得出了以下结论：

(1)硅酸铝棉的导热系数随温度升高而增大，模拟工况下管道保温材料的导热系数沿径向呈近似线性规律变化，保温材料内侧温度接近580 ℃，其导热系数接近0.151 W/(m·K)，而保温材料外侧的导热系数为0.021 W/(m·K)，内侧导热系数是外侧的7.5倍.

(2)稳态传热工况管道散热量随保温层厚度增大而减小，且保温层厚度越大，厚度变化对管道散热量变化率影响越小.保温层厚度从100 mm增大至300 mm时，每增加50 mm，管道散热损失分别减少27.2%、19.3%、14.5%、11.7%.

(3)自然冷却工况下管道的散热速率随散热时间增大而减小，且保温层厚度对冷却速率影响较大.在冷却初始阶段，保温层越厚的管道散热速率越小，冷却至36 h左右各管道的散热速率接近相等，后期保温层越厚的管道散热量越大.自然冷却工况下管道的冷却时间较长，保温层厚度为200 mm的管道冷却至100 ℃需要10 d时间，而在管道内通常温空气的强制冷却工况下，保温层厚度对管道冷却速率基本没有影响，管道冷却到100 ℃仅需要90 min.