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摘要：由于近年来对于翼型印刷电路板式换热器，翅片的不同排列方式是研究重点，因此对不同排列方式的超临界天然气（LNG）翼型翅印刷电路板式换热器（PCHE）的流动换热性能进行了数值研究。结果表明：当垂直距离为2 mm时，交错距离由0 mm增加到4 mm，其Nu/Eu的值增加了近4%，这表明印刷电路板式换热器翼型肋片平行布置相比交错布置有着更好的传热性能，同时也伴随着较大的摩擦阻力；当交错距离为2 mm时，垂直距离由2 mm增加到5 mm，其Nu/Eu的值增加了近27%，但当垂直距离由4 mm增加到5 mm，其Nu/Eu的值仅增加了不到2%，这表明了交错布置下的翼型通道的综合性能要优于平行排列的翼型通道，垂直距离越小影响越明显，但随着垂直距离的增加，Nu/Eu的值增加幅度越来越小，这说明翼型交错布置和适当的稀疏布置更有利于流动和传热，但当垂直距离已经较大时，继续增加垂直距离的意义不大。
关键词：印刷电路板式换热器；超临界LNG；流动换热性能
0引言
天然气是一种优质的清洁能源，因为其资源丰富、燃烧值高并且燃烧后无污染，包括我国在内的很多国家都把天然气作为能源清洁替代的重要选项，因此受到了学者广泛的关注[1]。
印刷电路板换热器（PCHE）具有紧凑性、高效、耐高温高压等优点，因此成为了布雷顿循环系统中首选的换热器[2]。近些年，研究者对PCHE微通道的性能做了很多研究，从最早的平直通道，到Z字形通道以及S通道，最后过度到翼型通道。在翼型通道中，NACA00XX四位数系列的翼型是最常用的，其中第一位数代表了相对弯度；第二位数代表了最大弯度在弦长的位置；末尾两位数则代表了相对厚度。当前两位数为0时，说明该翼型是对称的[3]。对于翼型PCHE的研究，Wang等[4]比较了直通道PCHE、Z型PCHE和翼型PCHE，研究发现，翼型PCHE拥有更好的传热性能。翼型PCHE中的流线型翅片结构在增强扰动的同时却又不会产生大量的分离流与涡流，这能保证换热器的换热效率并且不会产生较大的流动阻力，因此翼型PCHE将会是未来研究的重点PCHE型式之一[5]。
对于翼型PCHE，翅片的不同排列方式是研究重点。Baskaya等[6]采用数值模拟方法研究了翅片间距、翅片高度和翅片长度对PCHE的影响，并认为当前需要更多的实验来得到更具普适性的优化方案，并且在实验中任何一个参数都不应被固定，而应该设计更多的正交实验来获得不同参数组合起来所带来的影响。Xu等[7]和Kim等[8]分析了翼型的布置方式对其PCHE性能的影响，发现翼型翅片交错布置的流道比平行布置的流道性能更好。Chu等[9]通过数值模拟方法研究了翼型翅片的几何参数，发现迎风面积大且长度较短的翼型翅片PCHE可以获得较好的综合流动换热性能。Yang等[10]利用数值模拟了不同错距和不同横距的翅片布置对翼型PCHE传热和流动的影响，分析结果表明，适当降低两排翅片之间的错距和横距可以提高PCHE的对流换热性能，将翅片完全交错排列和适当增加翅片间横距可以有效降低压降。Chen等[11]对4种NACA00XX系列翼型翅片PCHE进行了比较，研究发现，在垂直间距固定的情况下，NACA系列翼型翅PCHE的传热性能随着翼型厚度的增加而增加，流动和传热的综合性能会随着翼型厚度的增加而降低。Tang等[12]在翼型PCHE流道中布置了微型涡流发生器，研究发现，涡流发生器位于流道上游的翼型PCHE比涡流发生器位于流道下游的翼型PCHE，换热性能更好。Tang等[13]之后还提出了最佳的带有涡流发生器的翼型翅片布置方式。因此，翼型PCHE在结构参数的设置上具有更大自由度[14]，对于翼型PCHE结构有待于进一步研究。
对于实际运行的翼型PCHE，其流动换热特性还受到工质入口温度、质量流量以及工作压力等操作参数的影响。张永[15]对翼型PCHE内的流动与换热性能用数值模拟方法进行了研究，研究发现，较高的工作压力有利于提升翼型PCHE的综合性能，并且在临界温度附近的温度区间内，适当降低入口温度可以减少压力损失。Pedaparti等[16]搭建了PCHE测试件的测试平台进行PCHE测试，PCHE测试件的一侧为矩形肋片，另一侧为翼型翅片，通过实验研究了PCHE的流动传热性能，并利用最小二乘法拟合得到了努塞尔数Nu和摩擦系数f的关联式，最后得出结论，实验中所用的PCHE相比于传统的Z型通道PCHE，体积减少了35%。
目前，关于对称翼型对PCHE的性能影响，已经从相对厚度、弧度形状、排列方式，迎角等方面进行研究分析，但仍然需要研究和优化翼型结构。对此，本文通过改变翼型翅片之间的交错距离、垂直距离并建立不同的翼型翅PCHE三维物理模型，以超临界LNG为介质，对翼型PCHE内的流动换热现象进行数值模拟计算，分别分析翅片垂直距离和翅片交错程度对超临界LNG在翼型PCHE中流动换热性能的影响。并且此次研究结果对于翼型印刷电路板换热器的设计提供了思路。
1模型与数值方法
1.1几何模型及边界条件
本文的几何模型高度为1 mm，流道总长度为96 mm，其中翼型通道长度64 mm，为避免入口效应和出口回流，在通道前后分别延长16 mm[17]。通道宽度随翼型的垂直间距而变化，分别为7、8、9、10 mm。翼型选择NACA0020。本文使用LNG作为工作介质，其物性参数来自于NIST数据库REFPROP[18]。图1所示为翼型流道示意图，图2所示为翼型几何参数的定义。图中LS表示翼型的交错间距，取值分别为0（平行布置）、1.0、2.0、3.0、4.0 mm。LV表示翼型的垂直间距，取值分别为2.0、3.0、4.0、5.0 mm。LH表示同行前后翼型的间距，本文固定LH距离为8.0 mm。LC和LT为翼型参数，分别为4 mm和2 mm。
本文边界条件设置如表1所示，其中流体入口边界条件为速度入口（Velocity inlet），入口速度设为0.5 m/s，入口温度设为195 K；对流道上下壁面施加恒定温度340 K；流道左右壁面设为对称壁面；流体和翼型翅片壁面的耦合面设置为Couple边界条件。
1.2网格划分及网格无关性
本文采用FluentMeshing进行模型的网格划分，对流道上下壁面以及流固耦合壁面（翼型翅片表面）处进行了边界层的划分，边界层一共5层，边界层网格第一层高度为0.01 mm，膨胀比为1.2，并对模型划分了4个数量不同的网格，分析了不同的网格数量对计算结果的影响。图3为LV=3.0 mm，LS=0 mm模型的网格无关性验证结果，从图3的趋势可以看出网格数量在1 440 572之后对结果的影响很小，最后综合模拟计算时间和计算精度考虑，将该模型的网格数量定为1 440 572。
通过对所有参与模拟的20组模型进行了网格划分和无关性验证，得到了各个模型的网格划分结果如表2所示。
1.3计算方法与收敛准则
本文计算采用的是基于压力的隐式双精度求解器，流动设置为三维、稳态和湍流流动。采用SIMPLE算法来处理压力和速度耦合。为了使计算结果更为准确，动量方程与能量方程、湍动能方程和湍流耗散率方程都采用二阶迎风格式进行离散化处理。当连续性方程、动量方程及能量方程的最小残差都下降到10-6，并且当出口的压力和温度不再发生变化时认为计算收敛。
1.4数据处理
为了便于本文对印刷电路板式气化器模拟结果的分析讨论，对本文中所用到的参数做出说明。
（1）水力直径Dh
为研究流体的流动特征，引入水力直径来计算雷诺数，常用计算方法如式（1）：
由于翼型通道内流动区域是变化的，因此本文采用式（4）计算翼型流道的水力直径[12]。因为翼型流道内的翼型的布置是周期性的，因此采用一个周期的翼型流道作为计算对象，如图4所示。
式中：L为流道的长度；W为流道的宽度；Sa为翼型上表面积；t为流道高度；Pa为翼型上表面周长；LS为翼型交错距离。
（2）对流换热系数h
式中：q为换热量；Tw为壁面温度；Tb为流体进出口平均温度；Tout为流体出口温度；Tin为流体入口温度；A0为换热面积；h*out为流体出口焓值；h*in为流体入口焓值。
（3）努塞尔数Nu
式中：h为对流换热系数；λ为流体的导热系数。
（4）达西摩擦阻力系数f
式中：Δpf为摩擦阻力压降；Δpa为加速度压降；L为流道长度。
（5）欧拉Eu数
式中：Δp为流体进出口的压力差值，即压降；ρb为流体的平均密度；ub为流体的平均速度。
Nu/Eu常作为目标函数用于与PCHE综合性能的比较[19-20]。Eu相比于f，更能反映PCHE结构的变化，因此对于不同结构的PCHE，本文用Nu/Eu对其综合性能进行对比，Nu/Eu的值越大，代表了PCHE的综合性能越好；其值越小，则表示PCHE的综合性能越差。
2结果与分析
2.1交错距离Ls对流动换热性能的影响
为了研究翼型通道内垂直距离和交错距离对超临界LNG的流动传热影响，本节在入口速度相同的情况下，研究了流体在不同交错程度的翼型通道内流动传热性能。
图5所示为压力损失分布与LS变化的比较，参考压力为7.0 MPa。可以明显看出，当LS=0 mm时，压力损失比较大。当翼型改变为交错布置时，压力损耗降低约20%。在翼型平行布置的情况下，每一排翼型后的压力损失都会发生变化，而当翼型交错布置时，压力的变化沿着流动方向是渐进的。可以看出交错布置相比与平行布置更有利于减少翼型翅片的流动阻力。
图6所示为LV=2 mm，LS分别为0~4 mm，超临界LNG在不同交错间距流道中的速度云图，入口流速为0.5 m/s。当LS=0 mm时，由于压力在每一排翼型都发生剧烈变化，导致超临界LNG流过翼型时每一排的流速都发生剧烈的变化；当LS=4 mm时，可以看出流速分布并未出现剧烈的变化，速度变化沿流动方向渐进增加。由此可以发现翼型的交错布置比平行布置所形成的流道更加光滑，并且随着交错距离的增加，流道中流体的流动更加均匀。
图7所示为不同交错程度布置的翼型通道的传热性能。图7（a）为平均Nu数随交错距离的变化图，图7（b）为单位面积传热量随交错距离的变化曲线图。从图中可以看出，随着交错距离LS的增加，超临界LNG在翼型通道内的平均Nu数和单位面积的传热量都随着垂直距离的增加而减少。当LS=4 mm时，LV=2 mm翼型通道的平均Nu数分别比LV=3 mm、LV=4 mm和LV=5 mm增加1.1%、1.8%和3.1%；而当LS=0 mm时，LV=2 mm的翼型通道内的平均Nu数分别比LV=3 mm、LV=4 mm和LV=5 mm增加了1.6%、8.4%和9.3%。这是因为当交错距离为0 mm时，沿流动方向的通道截面面积会呈现周期性的增加和减小，从而使得流体沿着流动方向的速度会瞬间增大和减小，这会让流体受到更多的扰动，因此增强了流体的流动传热。
图8所示为不同交错间距布置的翼型通道的阻力性能。从图中可以看到随着交错距离的增加，摩擦阻力系数f和压降Δp都在逐渐减小。这是因为随着交错距离的增加，翼型通道的截面面积逐渐变得较为平缓，流速也变得比较均匀，这使得流体的压降也较低。由于翼型的特殊结构，使流体经过前一排翼型翅片的尾迹区和下一排翼型翅片的渐扩区时，在翅片交错排列时更容易形成流线型，流道内压降会更小，流体的流动阻力也更小。
图9所示为努塞尔数和欧拉数的比值Nu/Eu随交错数LS的变化，从图中可以看到，随着交错距离的增加，Nu/Eu的值是不断增加的，但增长幅度却逐渐减小，这说明了翼型交错布置和适当的稀疏布置更有利于流体的流动和传热。
2.2垂直距离LV对流动换热性能的影响
图10所示为流道中心截面处的温度云图。在流道的相同位置，翼型PCHE的交错程度越大，流体的温度越低，并且流道中流体的温度分布越均匀；这是因为随着翅片垂直距离的增加，翼型对流体的扰动会逐渐变弱，对强化传热的影响也逐渐变少。同时观察一个翅片周围的温度分布可以发现，在流体流经翅片后的下游位置，即翅片的尾部，出现流体温度的明显升高。
图11所示为流道中心截面处的速度云图，可以看出流道的横截面积随着垂直间距的增加而大幅增加，在相同的进口速度下，流道横截面积的增加会致使流体的流速减小。从速度云图中可以看出，在相同位置处，LV=2 mm的流道内流体的速度变化最剧烈，流速也最大。在LV=2 mm时，流体的最大速度为2.36 m/s，而当LV=5 mm时，流体的最大流速只有1.8 m/s。
图12所示为不同垂直距离下的传热性能。可以看出随着垂直距离的不断增大，平均Nu的值不断减小，其中当LV=2时，平均Nu数降低了20%左右，而随着垂直距离的增加，平均Nu数的降低幅度逐渐减小。可以看出平行排列时，翼型的垂直距离对传热性能的影响较大，而交错排列时，垂直距离对传热性能影响较小。这是因为在翼型垂直距离逐渐减小时，翼型流道的截面积也会减小，这就会使得翼型对流体的扰动效果更明显，并且窄流道内流体也有着更高的流动速度，从而增强了流体的对流传热，因此可以得出结论，适当的减小翼型翅片排列的垂直距离可以提高翼型流道的对流传热能力。
图13所示为不同垂直距离下的阻力性能，图13（a）为摩擦阻力系数f随垂直距离的变化图，图13（b）为压降随垂直距离的变化曲线图。从图中可以看出，随着垂直距离的增加，摩擦阻力系数f和压降Δp均逐渐减小。这是因为垂直距离的增加，会使得流道的流通截面积增加，同一列翼型翅片间的干扰也逐渐降低，流体流过两翼型之间的速度也会随之减小，因此压降也随之降低。随着垂直距离继续增加，可以看到翼型对流动阻力的影响也在减小。
图14所示为不同结构翼型PCHE下的流体努塞尔数和欧拉数的比值Nu/Eu。流体Nu/Eu随着垂直距离的增加而增大，并且交错数越大，增加翅片之间垂直距离对于Nu/Eu的提升作用越强。当LV=4时，Nu/Eu的增长幅度比LV=2时小了很多，由以上可以推测出，在翅片之间垂直距离已经较大时，继续增加翼型翅片之间的垂直距离，对PCHE的流动换热综合性能提升是有限的。
3结束语
本文采用数值模拟的方法对超临界LNG在不同翼型翅片排列方式下的流动和换热特性进行了研究，分别分析了翼型翅片之间的交错程度和垂直距离对翼型PCHE流动换热特性的影响，主要结论如下。
（1）随着交错距离的增加，翼型通道的截面面积变化较为平缓，流速的变化也比较均匀，这使得流体的压降也较低。并且交错结构更容易形成流线型，流道内压降更小，流体的流动阻力更小。平行布置相比交错布置有着更好的传热性能，同时也伴随着较大的摩擦阻力。最后对比了不同交错距离下的努塞尔数和欧拉数的比值Nu/Eu，结果表明，随着LS的增加，Nu/Eu的值是增加的。
（2）当交错距离为2 mm时，垂直距离由2 mm增加到5 mm，其Nu/Eu的值增加了近27%，但当垂直距离由4 mm增加到5 mm，其Nu/Eu的值仅增加了不到2%，这表明了交错布置下的翼型通道的综合性能要优于平行排列的翼型通道，垂直距离越小影响越明显，但随着垂直距离的增加，Nu/Eu的值增加幅度越来越小，这说明了翼型交错布置和适当的稀疏布置更有利于流动和传热，但当垂直距离已经较大时，继续增加垂直距离的意义不大。
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不同排列方式的超临界LNG翼型翅PCHE流动换热性能研究论文
人参与 2025-05-17 14:01:14 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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