环形CW型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析.pdf
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1、环环形形 C CWW 型原表面回热器通道流动换热及型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析熵产特性分析吴延龙1,谢文棋2,俞建阳2,谢维潇2(1.中国空间技术研究院,北京100094;2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001)摘要:着眼于提升临近空间可重复使用航天器的能源利用效率,文章探究环形 CW 型原表面回热器通道流动换热与熵产特性。以其换热单元体为研究对象,采用 k-湍流模型和周期性边界条件,通过分析回热器流道出口截面的速度和温度参数分布,讨论了冷热侧进口参数(雷诺数、温度)对回热器流动特性与换热性能的影响。结果表明,增大雷诺数会使冷热侧出口截面温度降低、速度提升,形成中
2、心涡,使流道侧壁摩擦阻力及压力损失增大,导致回热器换热性能下降。熵产分析验证了此结论:随雷诺数增大,换热单元总熵产率增大。雷诺数不变时,改变冷热侧进口温度,结合面优度系数和总熵产率的综合变化,得到回热器的最佳工作温度为燃气进口温度 874.8K、空气进口温度 485.6K。关键词:CW 型原表面回热器;数值模拟;体换热性能;熵产分析;回热模型中图分类号:O551.3;V43文献标志码:A文章编号:1673-1379(2023)04-0338-11DOI:10.12126/see.2023089Analysis of flow heat transfer and entropy generati
3、on characteristics ofannular CW primary surface recuperator channelWUYanlong1,XIEWenqi2,YUJianyang2,XIEWeixiao2(1.ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China;2.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Withaviewtoimprovingtheenergyutilizationef
4、ficiencyofreusablespacecraftinthenearspace,thecharacteristicsofflowheattransferandentropygenerationinthechanneloftheannularCWprimarysurfacerecuperatorwereinvestigated.Takingitsheatexchangeunitastheresearchobject,thek-turbulentmodelandtheperiodicboundaryconditionswereappliedtodiscusstheeffectsofthein
5、letparameters(i.e.theReynoldsnumberandtemperature)ontheflowcharacteristicsandheattransferperformanceoftheregeneratorbyanalyzingthevelocityandtemperaturedistributionsoftheoutletsectionoftheregeneratorchannel.TheresultsshowthatincreasingtheReynoldsnumberwillreducethetemperatureandincreasethevelocityof
6、theoutletsectionofthecoldandhotsides,untilacentralvortexisformed,whichwillincreasethefrictionresistanceand pressure loss of the side wall of the flow channel,thus reduce the heat transfer performance of theregenerator.The entropy generation analysis verified that,with the increase of Reynolds number
7、,the totalentropyyieldincreased.WhentheReynoldsnumberwasconstant,bychangingtheinlettemperatureofthecoldandhotsidesandcombinedwiththecomprehensivechangesofthesurfacegoodnesscoefficientandthetotalentropyyield,theoptimalworkingtemperatureoftheregeneratorcanbe874.8Kforthegasinletand485.6Kfortheairinletr
8、espectively.Keywords:CWprimarysurfacerecuperator;numericalsimulation;bodyheattransferperformance;entropygenerationanalysis;regenerativemodel收稿日期:2023-03-10;修回日期:2023-07-28基金项目:国家自然科学基金项目(编号:52006045);黑龙江省自然科学基金项目(编号:LH2021E062)引用格式:吴延龙,谢文棋,俞建阳,等.环形CW型原表面回热器通道流动换热及熵产特性分析J.航天器环境工程,2023,40(4):338-348WU
9、 Y L,XIE W Q,YU J Y,et al.Analysis of flow heat transfer and entropy generation characteristics of annular CW primarysurface recuperator channelJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(4):338-348Vol.40,No.4航天器环境工程第40卷第4期338SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2023年8月https:/E-mail:Tel:(010)68116407,68
10、116408,68116544 0 引言引言天地往返技术使得可重复使用航天器在完成空间任务后能安全返回地球,实现往返于空间与地球表面的多次循环利用。微型燃气轮机凭借其紧凑尺寸、轻量化设计和高效能表现,在天地往返任务中具有极佳的应用前景。在保持微型燃气轮机整体部件基本不变的前提下,回热器的应用有助于进一步提升燃气轮机的热力循环效率。这将优化航天器在临近空间环境中的能源利用,进而提高天地往返任务的效率与可靠性。目前常见的回热器结构有板翅型回热器、管式回热器和原表面型回热器,其中原表面回热器在生产工艺的成熟性及换热性能等方面表现更优1。CW型原表面回热器的冷热侧工质分别为空气和燃气,燃气经金属隔板预
11、热压气机空气;回热器采用 180相位差波纹板堆叠,以增强流体运动扰动、提高换热效能2。针对 CW 型原表面回热器开展其最佳工作状态点性能研究,对促进其在工程领域的应用具有重要作用。本文以 CW 型原表面回热器2为对象,采用数值计算方法,通过调整进口参数(雷诺数、温度)来研究回热器出口截面温度场、速度场的变化规律,探讨提高回热器换热效能的方法,确定多个优良工作点;并通过熵产分析对比各工作点,得出回热器最佳工作状态点。1 数值计算方法数值计算方法本节阐述有关数值计算方法的技术基础,包括模型构建,周期性边界条件、参数定义,以及网格划分方法。1.1模型构建回热器单元体的精确描述对研究温度场与速度场分布
12、至关重要。CW 原表面回热器结构复杂,模拟整个结构会耗费大量计算资源,故受计算局限,数值计算中常选用简化的 CW 型通道,以对流换热单元体为主研究对象。建立回热器几何模型如图 1 所示,流动方位上波纹曲线节距为 P、宽度为H、长度为 L、波幅为 A3。HPLA图1回热器几何模型Fig.1Geometricmodeloftheregenerator环形 CW 回热器内部具有复杂的空气和燃气通道,导致模拟困难。考虑燃气和空气输入端对传热特性影响较小,可通过多个重复 CW 管道单元模拟回热器传热特性4。因此,构建包含重复单元的空气和燃气流道三维数值模型,并将空气和燃气通道壁厚设为传热板厚的 0.5
13、倍,使外部空气切割形成的固体区域呈周期性5。主流方向上,给定速度周期性边界和温度周期性边界,如图 2 所示,其进出口截面间的关系为6:uin(x,y,z)=uout(x,y,z+L);(1)Tin(x,y,z)TwTb(z)Tw=Tout(x,y,z+L)TwTb(z+L)Tw。(2)式中:uin(x,y,z)和 Tin(x,y,z)分别为流体进口截面某处的速度和温度;Tb(z)为进口截面平均温度;uout(x,y,z+L)和 Tout(x,y,z+L)分别为流体出口截面某处的速度和温度;Tb(z+L)为出口截面平均温度;Tw为换热壁面温度。周期性边界条件周期性边界条件相邻两流道之间存在的空隙
14、周期性边界条件流动方向F1bF2bF2aF1a图2周期性边界条件Fig.2Periodicboundaryconditions另外,把中间界面划分为 4 个区域(F1a、F1b、F2a、F2b),并对其相同形状的中间截面施加周期性边界条件。而分割后每个部位的流动速度和温度应当符合下列要求7:uF1a=uF1b,uF2a=uF2b;(3)TF1a=TF1b,TF2a=TF2b。(4)uF1auF2auF1buF2bTF1aTF2aTF1bTF2b式中:、分别为面 F1a、F1b、F2a、F2b上的速度,m/s;、分别为面F1a、F1b、F2a、F2b上的温度,K。第4期吴延龙等:环形 CW 型原
15、表面回热器通道流动换热及熵产特性分析339因 CW 型流动通道特殊且复杂,需做如下假设:物性随温度变化;除输入、流出外,无物质和热量交换;总质量流量在横截面上恒定;换热单元内已稳态,无须初始条件;忽略壁面厚度及质量8。针对本文所研究的换热单元,设壁面边界条件为无物质交换,给定具体温度;设进口边界条件为质量流量进口,通过调整质量流量改变雷诺数,给定进口温度测定物性参数;设出口边界条件为压力出口,与大气环境温度、压力相同9。1.2参数定义为了评估回热器的传热性能,对于最小的热交换单元回热器的单通道流动模型,本节定义了如下流动和热交换参数10。当量直径 De=4Ai/Si,其中:Ai为单元进(出)口
16、截面面积,mm2;Si为截面周长,mm。雷诺数 Re=(UavDe)/,其中:为流体密度,kgm-3;Uav为流体在垂直截面方向上的平均速度,m/s;为流体的动力黏度,Pas。质量流量 q=(ReAi)/De。换热系数 h=Q/(TAw),其中:Q 为换热量,W;T 为流体与壁面的对数平均温差11,T=(TmaxTmin)/ln(Tmax/Tmin),Tmax和Tmin分别为进口温差和出口温差的最大值与最小值,K;Aw为换热面积,mm2。表征流体与壁面换热能力的努塞尔数 Nu=(hDe)/f,其中 f为流体的导热系数,W/(m2K)。科尔伯恩换热系数 j=Nu/(RePr0.5),其中 Pr
17、为流体普朗特数。进出口压力降P=PinPout,其中 Pin和 Pout分别为进口和出口静压,Pa。表征流体压力损失的范宁摩擦系数 f=(PDe)/(0.5LUav2)。面优度系数 Ga(areagoodnessfactor)是换热系数 j 和摩擦系数 f 的比值,Ga=j/f,该值越大,换热器的表面特性越好12。传热熵产率13Sg,T=effT2(Tx)2+(Ty)2+(Tz)2,(5)其中 eff为有效导热系数(等于导热系数 和湍流热导率 cpt/t之和)。摩擦熵产率14Sg,P=effT22(ux)2+(vz)2+(uz)2+(wx)2,(6)其中 eff为有效黏度。总熵产率 Sg=Sg
18、,T+Sg,P。相应地,传热无量纲熵产率Ng,T=yVSg,TD2edV;(7)摩擦无量纲熵产率Ng,P=yVSg,PD2edV;(8)总无量纲熵产率Ng=yVSgD2edV。(9)1.3网格划分及独立性验证本文利用 GAMBIT 软件分析网格并验证网格独立性。通过 8 组网格数,研究努塞尔数 Nu 与摩擦系数 f 随网格数目变化关系,见图 3。可以看到,随网格总量的增加,Nu 和 f 逐渐增长,网格总量超过 19 万后增长速度趋缓,故认为超过 19 万的网格数可满足数值模拟条件。为节约运算成本并保证效果,规划网格时可将换热单元体网格数限制在19 万左右。4.24.03.83.6NuNuff3
19、.43.23.01.21051.41051.6105The number of grids1.81052.01052.21050.0260.0240.0220.0200.0180.016图3网格无关性验证Fig.3Gridindependenceverification 2 冷热侧进口参数对换热单元体性能影响冷热侧进口参数对换热单元体性能影响研究研究CW 型原表面回热器以高紧凑度为特点,流体在流道中不断旋转并伴随二次流,从而实现优越的换热性能。冷热侧不同进口参数是影响换热单元体性能的主要因素,因此,本文依据数值计算模型,深340航天器环境工程第40卷入研究主要进口参数(雷诺数和温度)对换热单元
20、体性能的影响规律15,探讨雷诺数在 1002000 范围内的换热单元体内部流动和换热情况,分析不同雷诺数下的温度场和速度场分布。2.1雷诺数对换热单元体性能的影响2.1.1对温度场的影响图 4 为不同雷诺数下换热单元出口截面的温度分布,空气和燃气侧进口温度分别为 455.7K 和819.12K。由图可见,空气与燃气通道16出口截面的温度均为上下侧呈反对称分布,空气通道截面温度外围高于中央,燃气通道中央高于外围。这是因为流体在弯曲流道中冲击侧壁,形成较薄的边界层,换热效果提高;而未受冲击的侧壁流速较低,边界层较厚,换热效果较差。随着雷诺数的增大,空气和燃气通道温度分布均变得不规则。这是因为在低雷
21、诺数下,流动较稳定,换热较均匀,截面温度逐渐降低;雷诺数增大时,流动复杂,空气侧低温区扩展,导致截面平均温度降低,而燃气侧高温区同样扩展,导致截面平均温度升高。781.979781.600781.789785.200785.011784.821784.632784.442784.253784.063783.874783.684783.495783.305783.116782.926782.737782.547782.358782.168Totaltemperature/K770.000768.526767.053765.579764.105762.632761.158759.684758.21
22、1756.737755.263753.789752.316750.842749.368747.895746.421744.947742.000743.474Totaltemperature/K760.000756.842753.684750.526747.368744.211741.053737.895734.737731.579728.421725.263722.105718.947715.789712.632709.474706.316700.000703.158Totaltemperature/K514.000512.526511.053509.579508.105506.632505.
23、158503.684502.211500.737499.263497.789496.316494.842493.368491.895490.421488.947486.000487.474Totaltemperature/K565.000561.316557.632553.947550.263546.579542.895539.211535.526531.842528.158524.474520.789517.105513.421509.737506.053502.368495.000498.684Totaltemperature/K590.000585.263580.526575.78957
24、1.053566.316561.579556.842552.105547.368542.632537.895533.158528.421523.684518.947514.211509.474500.000504.737Totaltemperature/KRe=103.70Re=850.18Re=1665.85Re=103.70Re=850.18Re=1665.85(a)空气侧出口(b)燃气侧出口图4不同雷诺数下换热单元出口截面温度分布Fig.4TemperaturedistributionsatoutletsectionoftheheattransferunitunderdifferentR
25、eynoldsnumbers2.1.2对速度场的影响图 5 为不同雷诺数下换热单元出口截面的速度分布。可以看到,随着雷诺数的增大,空气与燃气通道的出口速度均增大,形成不同大小的二次流动,如顶部涡和中心涡,上下侧呈反对称分布。雷诺数接近 800 时,中心涡分裂,速度分布更复杂。当雷诺数超过 1500,上下端部分出现小型流动涡,流线更密集17。随着雷诺数增大,中心涡面积扩大,对内部流场影响增大,导致端部流速快而中心涡速度较慢。这是由于流体与涡心质量转换产生扰动,引发涡旋;雷诺数越大,扰动越强,对速度场的影响越大18。4.03.83.63.43.22.83.02.62.42.22.01.81.61.
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