（制冷及低温工程专业论文）气动—声学风洞热交换器的数值模拟与试验研究.pdf

摘要 摘要 气动一声学风洞是开发低阻力、低噪声、稳定、安全、舒适的现代高性能汽 车和轨道交通车辆的不可缺少的大型测试设施。性能良好的风洞不仅在试验段 有着优良的流场品质和良好的声学性能，而且自身的能耗也较低。风洞的能耗 主要来自于功率高达几千千瓦的风机。扩散段、拐角以及风扇段的气动减阻在 一定程度上减少了风机的功率。热交换器是风洞必不可少的设备之一，其风阻 约占风洞总阻力的1 0 有效降低热交换器的风阻有利于降低风机的功率。在 风洞设计和建设阶段，存在流道换热等一些亟需解决的关键技术问题。这些技 术在国内基本属于空白，技术风险较大。为了降低技术风险，满足风洞试验段 的性能指标，挖掘节能潜力，降低风洞投资和运行成本，本文开展了热交换器 的换热、流动、振动及声学研究。 风洞热交换器不仅迎面风速变化范围大( 0 1 2m s ) ，而且高风速段远超传 统热交换器。因此主要针对使用在石化、电力等行业的低迎面风速的传统热 交换器的研究结果不适合风洞这样的高速和多工况场合。为此本文结合数值模 拟和试验方法重点研究其换热与流动特性，目的是为风洞热交换器的优化设计 提供一些依据。从数值分析的角度出发，本文首先简要分析和比较目前工程上 广泛采用的三种两方程k - 模型；接着引入气流横刷矩形翅片椭圆管数值计算方 法一单元法，对五种网格模型、两种进出口边界条件及三种两方程湍流模型进 行数值计算，并把计算结果与文献t 2 的试验结果进行比较。通过比较发现： 采用速度进口、压力出口进行数值计算得到的结果与文献【2 】的试验结果更吻 合；使用标准湍流模型得到的模拟结果与文献t 2 l 的试验结果更吻合。在探讨 到比较合理的数值模型后，结合风洞热交换器的特点，使用c f d 计算方法对可 能放置热交换器的三个位置进行换热与流动分析，通过建立综合评价标准，指 出位于拐角3 和拐角4 之间的过渡段2 是最适合放冒热交换器的位置。为了进 一步明确最优位胃热交换器的流动特性，本文在模型风洞中开展了热交换器的 流动试验。试验指出：1 5 排结构布置所对应的欧拉数较其它两种结构布置小： 相同管排数下，出口速度不均匀度比进口大；相同迎面风速下，出口速度不均 匀度随管排数的增加而变大。 摘要 热交换器的振动及其产生的气动噪声对试验段的声学性能可能有很大影响。 摸清热交换器产生的气动噪声的大小以及频率分布，有利于风洞有针对性进行 消声处理。对热交换器共振问题进行预测，有利于采取措施，避免其发生共振。 为此热交换器的振动及其产生的气动噪声也作为本文研究的一个重点，同时它 也是本文的一个创新点。从试验的角度出发，首先在模型风洞中开展热交换器 的声学试验，测量热交换器进出口处的声压信号，得到总声压级以及漩涡脱落 频率等；接着从流体诱导振动的激振机理出发，结合气动一声学风洞热交换器 的设计与运行工况，进行共振预测。最后对热交换器进行气动一声学的数值模 拟，旨在进一步明确其气动一声学机理。通过研究发现：热交换器产生的气动 噪声大小约在3 d b 左右，它主要集中在中低频段。相同管排数下，漩涡脱落频 率随迎面风速呈线性增加；相同迎面风速下，管排数越多，漩涡脱落频率越大。 热交换器不会在风洞试验工况下，发生共振。 最后在总结研究成果基础上，提出进一步研究的建议。 关键词：气动一声学风洞，热交换器，换热，流动，声学 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a e m - a c o u s t i cw i n dt u n n e l ( a a w t ) i sa l li n d i s p e n s a b l et e s tf a c i l i t yt od e v e l o p m o d e r nc a r sa n dr a i lv e h i c l e sw i t hl o wd r a g , l o wn o i s e ，s t a b i l i t y , s a f e t y , a n dc o m f o r t a a w tw i t hg o o dp e r f o r m a n c en o to n l yd e p e n d so ne x c e l l e n tf l o wq u a l i t ya n d f a v o r a b l ea c o u s t i cp e r f o r m a n c eo ft e s ts e c t i o n ，b u ta l s oe m b o d i e sl o w e re n e r g y c o n s u m p t i o n t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa a w t i sm a i n l yd e c i d e db yt h ef a nt h a t t h ep o w e rc a nr e a c hs e v e r a lt h o u s a n dk w d r o p p i n gt h ep r e s s u r el o s so fd i f f u s e f c o m e r , a n df a ns e c t i o nc a nh e l pt or e d u c et h ep o w e ro ft h ef a n h e a te x c h a n g e r ( r l x c ) i so n eo f t h ek e ye q u i p m e n t so fa a w t , a n di ta c c o u n t sf o r1 0p e r c e n to ft o t a l p r e s s u r el o s so fa a w t r e d u c i n gt h ep r e s s u r el o s so fh x c i sg o o df o rl o w e r i n gt h e p o w e ro ft h ef a n t h e r ea r es o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m st h a tm u s tb es l o v e di nt h e p r o c e s so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fa a w t , f o re x a m p l e ，h e a tt r a n s f e ro fa i r l i n e s t h o s et e c h n o l o g i e sa r eb l a n ki no u rc o u n t r ya n dt h et e c h n i c a lr i s ki sb i g g i s h t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e st h eh e a tt r a n s f e r , f l o w , f l u i d i n d u c e dv i b r a t i o n ，a n da e r o a c o u s t i co f h x cs ot h a ti tc a nr e d u c et h et e c h n i c a lr i s k ，n e e dt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so f t e s ts e c t i o n ，r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n , a n dl o w e rt h ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i n g c o s t o fa w t t h ef r o n t i e rw i n ds p e e do fh x c - a a w tc a nb ec h a n g e di nal a r g er a n g ef r o m0 m st o1 2m s ，a n dh i g hw i n ds p e e do fh x c - a a w te x c e e d st r a d i t i o n a lh x c i t h u s ， t h er e s e a c hr e s u l t so ft r a d i t i o n a lh x ct h a tc a nb eu s e da te l e c t r i cp o w e ra n d p e t r i f a c t i o ni n d u s t r ya r en o ta p p l i e dt oh x c - a a w tw i t hh i 曲f r o n t i e rw i n ds p e e d a n dm a n yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h eh e a tt r a n s f e ra n df l o wo fh x c - a a w ta r et h e i m p o r t a n tc o n t e n t si nt h i sp a p e rb yu s i n gt h em e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t e s t t h a ts t u d ya i m sa tp r o v i d i n gs o m eg u i d e l i n e sf o ro p t i m i z i n gt h ed e s i g no f h x c - a a w t f r o mt h ev i e wo fn u m e r i c a la n a l y s i s ，t h r e ek i n d so ft w oe q u a t i o n sk - s m o d e l sa r ed i s c u s s e d , a n dt h e nau n i tc e l lm e t h o di si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h e p e r f o r m a n c e so fh e a tt r a n s f e ra n df l o w , w h e nf l u i dp a s s e st h r o u g l lr e c t a n g u l a rf i n n e d e l l i p t i c a lt u b e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw i t hf i v ek i n d so fg i r dm o d e l s ，t w ok i n d so f b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n dt h r e ek i n d so ft u r b u l e n c em o d e l sa r ed o n e ，a n dt h e n u m e r i c a lr e s u l t sa r cc o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l t so fr e f e r e n c ep a p e r 21 i tc a nb e u i a b s t r a c t f o u n dt h a ta d o p t i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sw i t hv e l o c i t y i n l e ta n dp r e s s u r e o u t l e t c a ng e tt h en u m e r i c a lr e s u l t st h a ta r ec l o s et ot h et e s tr e s u l t so fr e f e r e n c ep a p e r 2 1 t h en u m e r i c a lr e s u l t sb yu s i n gs t a n d a r dt u r b u l e n c em o d e lc a na c c o r dw i t ht h et e s t r e s u l t s o f r e f e r e n c e p a p e r 2 1 a f t e r g e t t i n g as u i t a b l e n u m e r i c a l m o d e l ，a c c o r d i n g t o t h ec h a r a c t e r i s t i co fh x c - a a w t , h e a tt r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i e so fh x ci n t h et h r e ep o s i t i o n sa r ed i s c u s s e db yu s i n gc f d a na p p r a i s e ds t a n d a r di ss e tu p a c c o r d i n g t ot h es t a n d a r d ，c r o s s l e gt w ob e t w e e nc o i n e rt h r e ea n dc o m e rf o u ri st h e b e s tp o s i t i o nt h a ti si n s t a l l e dh x c i no r d e rt ok n o wt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co fh x c c l e a r l y , f l o wt e s to fh x c i sd o n ea tt h eb e s tp o s i t i o no fm o d e lw i n dt u n n e l t e s t r e s u l t sp o i n to u tt h a te uo f1 5r o w si ss m a l l e rt h a n1r o wa n d2r o w s t h ev e l o c i t y u n i f o r m i t yo fo u t l e ti sb i g g e rt h a ni n l e ta tt h es a m en u m b e ro fr o w s ，a n da l o n gw i t h i n c r e a s i n gt h en u m b e r o fr o w s ，i ti si n c r e a s e f l o w - i n d u c e dv i b r a t i o na n da e r o - a c o u s t i eo fh x c m a y h a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h e a c o u s t i cp e r f o r m a n c eo ft e s ts e c t i o n g r o p i n gt h es o u n dp r e s s u r el e v e lo fn o i s e c a u s e db yh x ca n df r e q u e n c yd i s t r i b u t i o na r eb e n e f i t sf o rn o i s ee l i m i n a t i o no f a a w t r e s o n a n c eo fh x ct ob ep r e d i c t e di sp r o p i t i o u st oa v o i dh x c a p p e a r i n gt h e r e s o n a n c e t h e r e f o r e , f l o w - i n d u c e dv i b r a t i o na n da e r o - a c o u s t i eo fh x ca r et h e i m p o r t a n tr e s e a e hc o n t e n t sa n d t h e r ei sa ni n n o v a t ep o i n ti nt h i sp a p e r f r o mt h ev i e w o ft e s t ，a c o u s t i ct e s ta tm o d e lw i n dt u n n e li sd o n et om e a s u r es o u n d p r e s s u r el e v e la n d f r e q u e n c yo fv o r t e xs h e d d i n go fh x c t h e nf r o mt h ev i e wo ff l u i d i n d u c e dv i b r a t i o n m e c h a n i s m s , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n do p e r a t i n gc o n d i t i o n so fh x c ，r e s o n a n c eo f h x ci sp r e d i c t e db yc o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t ht e s tr e s u l t s a tl a s t ，s i m p l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no np r o b l e m so fa e r o - a c o u s t i ei sd o n ei n t h i sp a p e r s o m e c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n f i r s t ，t h e r ea r e3d bo fd i f f e r e n c eb e t w e e ni n l c ta n do u t l e t o fh x c ，a n dt h ef r e q u e n c yo fa e r o n o i s ec a u s e db yh x ci sm a i n l ym i d d l ea n dl o w f r e q u e n c y s e c o n d l y , a l o n gw i t hi n c r e a s i n gt h ef r o n t i e rw i n ds p e e d ，t h ef r e q u e n c yo f s h e d d i n gv o r t e xi sl i n e a ri n c r e a s ea tt h es a m en u m b e ro fr o w s w h e nt h en u m b e ro f r o w si si n c r e a s e ，t h ef r e q u e n c yo fs h e d d i n gv o r t e xi si n c r e a s ea tt h es a m ef r o n t i e r w i n ds p e e d t h i r d l y , t h ep h e n o m e n o no fr e s o n a n c ec a n ta p p e a ra tt e s tc o n d i t i o n so f a a w t a tl a s t ，a l lw o r ki ss u m m a r i z e da n d s u g g e s t i o nf o rf u t u r ew o r k i sg i v e n a b s t r a c t k e yw o r k s ：a e r o - a c o u s t i cw i n dt u n n e l ，h e a te x c h a n g e r , h e a tt r a n s f e r , f l o w , a c o u s t i c v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：夺名良 2 0 0 1 年f 月玎日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：夺詹良 置。町年f 月2 5 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景、课题来源与意义 1 1 1 研究背景 过去十年，中国汽车需求的不断增长促使国内汽车市场快速发展，并已形 成了一个比较完整的工业体系。最新资料统计显示：2 0 0 4 年，我国汽车产量突 破5 0 0 万量，超过法国，成为世界第四大汽车生产国。“十一五”期间，我国汽 车产业要建设成为具备自主研发、独立设计并拥有知识产权的国民经济的支柱 产业。 在现代汽车研发中，通常有三种基本方法。它们分别是道路测试、风洞试 验和数值计算。其中风洞试验被证明是一种研究汽车性能的有效方法，而且在 现代汽车发展中起着越来越重要的作用。为了开发现代高性能汽车，国外许多 汽车公司花费大量的人力、物力去建设自己汽车风洞。国内汽车产业的迅速发 展及其在“十一五”期间的发展战略，要求国内急需建设自己的汽车风洞。包 括气动一声学风洞和热环境风洞的上海地面交通工具风洞中心正是在这样的背 景下立项建设。建成后，它将填补国内在这一领域的空白，成为面向国内汽车 整车和零部件企业以及轨道交通产业的公共服务平台，也是支撑相关企业自主 开发的重要基础设施，对于提升国内汽车等地面交通工具产业的自主开发能力 具有重要意义。 气动一声学风洞在运行时，供给风机的全部能量，最终都将转化为风洞洞 体的热能，使风洞气流的温度不断增高。国外风洞实际运行表明：风洞温度过 高会带来许多不利因素，如：使试验模型的临时填料很快软化；给工作人 员增加困难；使风洞试验雷诺数降低。为了克服以上不利因素，保证风洞试 验要求，风洞需要设计热交换器来带走风洞洞体的多余热量。与传统热交换器 不同，风洞热交换器不仅迎面风速变化范围大，而且高风速段远超传统热交换 器的迎面风速。另外，风洞对热交换器的风阻有着严格的要求，同时热交换器 也必须保证在较宽的风速范围内实现良好的换热性能。为此有必要对风洞热交 第1 章绪论 换器的各种性能开展针对性研究。 1 1 2 课题来源与意义 本课题来源于上海地面交通工具风洞中心的科研分项：汽车风洞热力学问 题研究。 低成本、低能耗是气动一声学风洞设计和运行一贯追求的宗旨，试验段良 好的性能是气动一声学风洞建设的最终目的。热交换器空气侧的阻力损失在很 大程度上决定了风洞的投资、运行成本；良好的换热特性是试验段温度的重要 保证。开展热交换器换热、流动、振动和声学分析有利于降低技术风险；在顺 利解决风洞换热问题的同时，挖掘节能潜力，降低风洞投资和运行成本，也可 为其他类似热交换器设计和改造提供参考。 1 2 国内外研究进展与现状 气动一声学风洞为国内首座汽车整车风洞。由于热交换器的最大迎面风速 高达1 2 m s 左右，其空气侧的阻力损失在较大程度上决定了风洞的投资、运行 能耗和噪声指标等，因此选择一个合适的热交换器对风洞设计具有重要意义。 阻力损失小、换热效果好的矩形翅片椭圆管热交换器是其中的一个较好的选择。 国内外在流动与换热对其进行相应的研究。在振动以及气动一声学问题上，国 内外主要针对圆管乃至圆翅片管的热交换器进行相关研究。下面将从以下几个 方面进行概述。 1 2 1 流动与换热的试验研究 早在上世纪5 0 年代，s e b a u ，r a 等人开始研究流体横掠椭圆管的换热，他 们最先对不同长短轴之比进行试验研究。接着s c h a d ，o 研究了横掠椭圆单管和翅 片椭圆管束的换热。7 0 年代后，我国学者开始对流体横掠翅片椭圆管流动与换 热进行研究。黄素逸口q 1 研究流体横掠矩形翅片椭圆管束的放热；研制了钢制 矩形翅片椭圆管空冷器；从计算矩形翅片椭圆管的翅片效率出发，对采暖散热 器的矩形翅片形状和翅片间距进行优化分析，求出了最优翅片大小和最优翅片 日j 距的范围。张春陶拍q 1 等人研究了排数对矩形翅片椭圆管束换热的影响：采 2 第1 章绪论 用质热比拟技术对矩形翅片椭圆管表面的局部传热系数进行试验研究。张鹏 等人通过风洞试验，研究进风角度对钢制翅片椭圆管散热器换热与阻力特性的 影响。徐湘波悖3 等人介绍翅片椭圆管束热交换器在新风机组中的应用。 1 2 2 流动与换热的数值模拟 应用计算流体力学( c f d ) 对热交换器进行数值模拟研究，最早是由英国 p a t a n k a r , s vn 们和s p a l d i n g , d b 【l 们在1 9 7 4 年提出来。他们首先应用多孔介质 中的流动及分布阻力的概念计算壳管式热交换器。近年来，国内外研究学者开 始对椭圆管与翅片椭圆管开展数值模拟工作。m a t o s ，r s 1 1 1 等人建立一个三维 数值模型对叉排布置的翅片椭圆管进行模拟，得到给定容积下的最大总换热率。 s a h i t i ，n t 1 2 3 等人使用数值计算方法研究六种管子外形对压降和传热性能的影响， 指出当它们处于s c c ( 相同堵塞比，相同管间距和相同管长) ，在相同压降下， 与其他管子外型相比，椭圆管有更大的传热率。张和平u 如等人对流体绕流顺排 椭圆管束流动特性进行了数值模拟。刘希女n 4 1 等人对叉排椭圆管强迫对流换热 进行数值模拟。丁永航n 钉等人对矩形翅片椭圆管束空气侧的对流换热情况进行 了三维数值模拟，获得了不同流速下翅片表面温度分布，分析了不同翅片问距 对换热的影响因素。李启良h 酗等人针对风洞空冷系统矩形翅片椭圆管热交换器 进行了数值模拟，得到其在不同风速下的流动和换热特性，分析讨论了片距及 管排数对阻力特性的影响。张来n 刀针对电站直接空冷系统的矩形翅片椭圆管束， 对其空气侧流动和传热性能进行数值研究。 1 2 3 流体诱导振动理论分析与试验研究 国外对流体诱导振动的研究已有近三十年的历史，发展较快。早在1 9 7 5 年，s h a h ，r k 1 酊指出湍流抖振和漩涡脱落造成边界层高度混乱从而导致换热和 表面摩擦因子的增加，同时漩涡脱落可能也激发横向流柱的声学振动。t a n a k a , h 1 9 1 等人研究了叉排管束的流体弹性振动。a m y a n g , m k 啪1 分析流体诱导振动， 并给出相应准则用于指导热交换器设计。2 0 0 2 年，k u p p a n ，t 眩出版了热交 换器设计手册，在书中阐述流动诱发振动基本原理，并给出用于预防共振的程 序。 国内在这方面研究起步较晚。化工部西南化工研究院的陈绳武”“对声共振 3 第1 章绪论 引起的噪声及有关问题进行探讨。天沣大学的聂清德捌等人通过风洞试验对 换热设备密排管柬中的流体诱导振动机理进行研究，获得对比流速与质量阻尼 参数之间的关系，并画出稳定区图，同时得到一些用于防止共振的方法。1 9 9 5 年，钱颂文1 等人出版了热交换器流体诱导振动，该书从热交换器激振机 理、受力分析、振动疲劳分析、振动摩擦摩损及防振设计等角度对热交换器的 振动问题进行论述。清华大学的陈俊杰哳1 等人提出了一种快速简便地求解非定 常粘性流方程的方法，将该方法与流体激振的全功能分析及振荡压力传播理论 结合起来，为管束流体激振研究开拓了一个新思路。西安交通大学陈兆虎曙刀通 过大量的核算、振动测试和风量测试等手段分析引起振动的原因，提出相应的 治理措施，逐步推进，成功解决了该空气预热器及冷风系统振动大的问题。 1 2 4 气动声学问题的数值模拟 纵观国内外文献发现，使用数值模拟方法进行气动一声学问题研究并不多。 这少数研究主要集中在各种风扇的气动噪声、航空发动机螺旋桨、短舱管道气 动噪声、高速车辆外部气流噪声、汽车外部气流噪声等等。t a m ，c h r i s t o p h c r , k w 嘲1 介绍了气动一声学数值模拟的最近进展。有关热交换器的气动一声学问题早 在1 9 5 4 年见之于文献啷1 。赖永星啪3 等人利用c f d 对粘性不可压缩流体圆管绕 流旋涡的产生和演化过程进行数值模拟，得到其漩涡脱落频率。然而到目前为 止，关于它的数值模拟的文献还是很少。归结其原因可能是气动一声学问题的 机理复杂，目前的c f d 计算方法对其进行数值模拟存在一定的缺陷，有待进一步 完善。 1 2 5 国外风洞热交换器研究动态 j o e lw a l t e r 【3 等人对d a i m l c rc h r y s l e r 整车气动一声学风洞热交换器进行研 究指出热交换器位于拐角3 和4 之间的低速过渡段。这个位置能使流动上可能 对热交换器造成破坏的大规模不均匀气流得已衰减，而且提供有效距离来衰减 由热交换器产生小尺度脉动，能够避免使用额外阻尼网。v a n f o s s e n ，g j ”“对使 用在n a s a 风洞热交换器的换热和压降特性进行测定，给出热交换器的性能。 f l a y r i c h a r d ，g j 3 那提出通过优化风洞内管翅式热交换器几何结构束降低空气侧 压降的方法。j o h n s o n ，w g 1 通过对使用在风洞内不同热交换器结构的气动特 4 第1 章绪论 性进行测定，给出压降、出口速度不均匀度、湍流强度随雷诺数的变化，从而 指导风洞热交换器设计。 1 2 6 文献小结 在流动与换热的试验研究方面，前人对矩形翅片椭圆管热交换器做了大量 工作，他们从翅片大小、翅片间距、管问距、进风角度等角度进行全方位研究。 至于数值模拟方面，虽研究不多，但也开始涉及。然而它们的研究对象主要是 用于石化、电力行业的传统热交换器，这些热交换器迎面风速较低，一般在4 m s ， 气动一声学风洞热交换器的迎面风速高达1 2 m s ，其结果不适合汽车风洞这样的 场合。为此本文有必要开展热交换器的流动与换热研究。 流体诱导振动是热交换器研究的一个方向，国外研究较早，提出不同机理 用于解释热交换器的振动现象，并提出相应准则用于防止其发生共振。国内虽 然起步较晚，但也有相应的研究。发表不少文献，得出一些结论。然而前人的 研究基本上都集中在传统圆管热交换器，很少发现有针对椭圆管热交换器。更 未发现有使用于气动一声学风洞的矩形翅片椭圆管热交换器。本文之所以仍对 其进行研究是因为它可能对试验段的声学性能有很大影响。 在气动一声学问题的数值模拟方面，国内外的研究不多。有关风洞热交换 器的气动一声学问题的研究就更少。开展这一方面研究，旨在进一步明确其声 学特性。 总之，前人所做工作为本课题研究提供良好的基础。充分利用c f d 计算方 法，结合模型风洞试验，开展气动一声学风洞热交换器研究不仅是可行的，而 且是有意义的。 1 3 研究内容 综合国内外热交换器研究现状，结合气动一声学风洞热交换器特点，基于 客观试验条件，本课题拟通过理论分析、数值模拟及试验相结合的方法，通过 丌展以下研究内容为气动一声学风洞热交换器优化设计提供依据。 ( 1 ) 引入气流横刷矩形翅片椭圆管数值计算方法一单元法，对不同网格、 边界条件及湍流模型进行数值计算，并把计算结果与文献【2 l 的试验结果进行 5 第1 章绪论 比较。通过比较分析，探讨一种适合气动一声学风洞热交换器的数值模型。 ( 2 ) 结合气动一声学风洞热交换器的特点，使用c f d 计算方法对可能放置 热交换器的三个位置进行流动与换热分析，通过建立综合评价标准，指出最适 合放置热交换器的位置。 ( 3 ) 针对最佳位置开展模型风洞热交换器的流动试验，通过试验验证数值 模拟结果，同时进一步明确热交换器在该位置的流动特性。 ( 4 ) 就最佳位置在模型风洞中开展热交换器的声学试验。简要分析热交换 器的激振机理，结合理论分析和试验结果，进行共振预测。另外，开展热交换 器的气动一声学问题的数值模拟，旨在进一步明确热交换器的声学特性。 6 第2 章气流横刷矩形翅片椭圆管湍流流动与换热数值模犁探讨 第2 章气流横刷矩形翅片椭圆管湍流流动与换热数值模型 探讨 2 1 湍流模型及近壁面函数概述 2 1 1 湍流模型 湍流是一种随机、非定常、三维有旋流动，由各种尺度的涡组成。在湍流 流动与换热中，速度、压力、温度等参数都随时间和空间发生随机变化，要对 高度复杂的湍流流动与换热进行直接的数值模拟，必须采用很小的时间与空间 步长，这在目前计算机水平上几乎是不可能的。利用雷诺时均法，将非稳态控 制方程对时间作平均，得到时均物理量控制方程，通过不同假设得到目前湍流 流动与换热计算广泛采用的湍流模型。 所谓湍流模型是把湍流脉动值的附加项与时均值联系起来的一些特定关系 式。b o u s s i n c s q 把湍流脉动所造成的附加应力与层流运动的剪切力联系起来，引 入湍流粘性系数胁，并指出它是空间坐标的函数，取决于流动状态而不是与分子 粘性一样仅仅是物性参数。这样计算湍流流动与换热的关键就在于如何计算 湍流粘性系数肚，根据确定的雕微分方程数目的多少就产生零方程模型、一方 程模型及两方程模型等。目前工程上广泛采用的两方程k - 模型，就是通过引入 湍动能k 与耗散率来求解胁，从而完成湍流流动与换热的求解。工程实践表明： 在一定范围内，两方程b 模型能较好地解决湍流流动与换热问题。 2 1 1 1 标准k - 模型 标准k - 模型自从被l a u n d e r 和s p a l d i n g 提出之后，就成为湍流流动与换热 模拟的主要工具。它是个半经验的公式，是从试验现象中总结出来，具有适用 范围广、占用计算资源少、精度合理等优点。 标准k - 模型的k 及控制方程： 昙( 肚) + 当( 触。) 。【( + 盟) 誓】+ g k + g p f 一+ 最 ( 2 1 ) 优 “j o k “j 昙( 纠+ 毒( 腭) i 毒+ 等) 詈1 + c ，詈( q + c 。g b ) _ c 2 ，p 等“，( 2 2 ) 7 第2 章气流横刷矩形翅片椭圆管湍流流动与换热数值模犁探讨 以- p c ( 2 3 ) 占 式中，p 表示密度，k g m 3 ：i 表示f 方向的速度，m s ；g 表示由平均速度梯 度而产生的湍动能，m 2 s 2 ；瓯表示由浮力产生的湍动能，m 2 s 2 ；功表示由于在 可压缩湍流中，过度扩散产生的波动；咒和s 。是用户定义项；c 1 ，c ：，c ，。是 试验常量；以和盯。是t 方程和e 方程的湍流p r a n d t l 数；对于空气、水的湍流计算， 可取c u - - - - 1 4 4 ，c h = 1 9 2 ，吼= 1 0 ，q = 1 3 ，q = o 0 9 。 2 1 1 2 重整化群k - f 模型矧 重整化群“模型来源于严格的统计技术。它在方程中加了一个r ，项，同 时考虑到湍流漩涡的影响，在某些流动中比标准t 一模型有更高的可信度和精 度。 2 1 1 3 可实现k - g 模型矧 标准k - f 模型对时均应变率特别大的情况，会导致负的正应力。为保证结果 的可实现性，系数g 必须与平均剪切力相关。可实现k - s 模型提出一个新的涡 旋粘性的表达式，其中计算湍流粘性系数是一个变量；同时使用一个新的基于 涡流动平衡的湍流扩散率f 方程。 2 1 2 近壁面函数 在近壁面区域，流体速度梯度大。准确计算近壁面区域对湍流流动与换热 的模拟结果的准确性起到非常重要的作用。近壁面区域通常大致可以分为三层： 粘性底层、过渡层和湍流层。在粘性底层，流动几乎是层流，分子粘性在动量、 热量和质量交换中起着关键作用。在湍流层，湍流粘性起着重要作用。而在粘 性底层和湍流层之间的过渡层，分子粘性和湍流粘性都起作用。图2 1 以半对数 坐标形式显示出近壁面区域的无量纲速度分布。 各种形式的k - p 模型在湍流核心区流动( 远离壁面区域) 都是非常有效的， 然而它必须在近壁面区域进行修正。目前有两种方法处理近壁面区域：第一种 是粘性底层和过渡层不直接计算，只用半经验公式( 壁面函数) 对壁面和湍流 核心区之间作渐进衔接；第二种是修正湍流模型，使粘性底层和过渡层都得到 求解，但需要网格深入到壁面。对一般湍流流动与换热问题，使用第二种方法 时，其网格数巨大，因此常用的是通过壁面函数来处理。常用的壁面函数有标 8 第2 章气流横刷矩形翅片椭到管湍流流动与换热数值模犁探讨 准壁面函数和非平衡壁面函数两种。 旷：5 广= 6 0 b a u , y ，v 图2 1 近擘面区域无量纲速度分布 2 1 2 1 标准壁面函数 标准壁面函数自从被l a u n d e r 和s p a l d i n g 提出之后，得到人们的重视，目前 已在工业流动、换热中得到广泛应用。其主要包括速度壁面函数法和温度壁面 函数法。 速度壁面函数法： 竺! ! 1 1 4 1 1 1 2 。三l l l 伍丝1 4 1 1 1 2 兰! f 。p k 、 一 竺! 互1 4 1 1 1 2 笙1 1 4 竺1 2 堑 t w | p 弘 ( 3 0 。生皿1 41 2 。3 0 0 ) ( 2 4 ) 芦兰垒 1 1 2 2 5 ) 式中，冯卡门常数k = 0 4 o 4 2 ，经验常数e = 9 7 9 3 ，表示流体在p 点 的平均速度，m s ；如表示流体在p 点的湍动能，m 2 s 2 ；即表示p 点到壁面的距 离，m ；z 表示流体的动力粘性系数，n s m 2 。 温度壁面函数法： 9 第2 章气流横刷矩形翅片椭圆管湍流流动与换热数值模刑探讨 r -以一r , ) p c ，c ：4 t ? 2 p 。_ p c s _ 二4 k l 卫2 + 三册! 坐 4i 一2 昨2 芒塑丝。y ；) 一 z 口 p 啦n 怛譬竽m 州印；邶+ o 披一警， 巧 + ；p 华；+ 瑚( 譬竽“) 。 口 严 式中，死表示壁面温度，k ：昂表示p 点的温度，k ：g 表示流体比热，l o k g ； p r 表示分子的p r a n d t l 数；鼽表示湍流的p r a n d t l 数；j 为壁面热流，w m 2 。 2 1 2 2 非平衡壁面函数3 7 3 非平衡壁面函数也包括速度和温度壁面函数法，具体表达方式与标准壁面 函数相似。与标准壁面函数不同的是，非平衡壁面函数在计算壁面附近网格单 元的湍动能时采用了两层区域，同时平均速度对数律适用于有压力梯度影响的 近壁面流动。 2 2 数值模型简介一单元法 矩形翅片椭圆管热交换器一般用在电力、石化等一些大型的空冷场合。与 圆翅片管相比，它具有风阻小、换热性能好等优点。例如，某电厂锅炉用的暖 风器，原都采用圆翅片管作为传热元件。改造后，新暖风器采用矩形翅片椭圆 管作为传热元件。经电厂现场测试，新暖风器传热系数提高3 0 ，风阻下降6 0 。广州石化空气压缩机的中间冷却器原为钢制圆管圆翅片作为传热元件，改 为矩形翅片椭圆管后，由于风阻下降，其空压机的转速由9 6 1 2r m i n 降至9 3 6 8 r m i n ，耗功大大降低；同时由于传热系数增加，其一段缸的出口温度由1 7 8 降至1 3 5 。 目i j 仃市场上主要有大口径矩形翅片椭圆管与小口径矩形翅片椭圆管两种规 格。本文所作工作均是针对小口径矩形翅片椭圆管。这种管子的尺寸如图2 2 所 示( 不同厂家略有差异) 。翅片间距一般在2 1 6 m m 之问，翅片厚度规格有0 2 5 ， 0 3m m 等，基管与翅片的材料常用的是碳钢。其加工过程为：套片机将矩形翅 片套在椭圆基管上，经酸洗、碱沈以后送入渗锌槽中进行整体热渗锌，从而达 到抗腐蚀和消除接触热阻。 l o 第2 章气流横刷矩形翅片椭圆管湍流流动与换热数值模犁探讨 图2 2 矩形翅片椭圆管尺寸 f o w l e r 和b c i 蛆3 研究表明：气流通过图2 3 形式的矩形翅片椭圆管热交 换器可以通过采用一个单元来模拟，数值模拟结果与试验结果非常接近，两者 相对偏差不超过2 。同时他们指出：热交换器的几何对称性导致热交换器在相 邻通道或在顶部和侧面都没有气流交换和热交换；在翅片中心面，没有发生热 量传递。本文研究矩形翅片椭圆管热交换器的几何结构和流动情况与之类似， 在计算其流动与换热时，也只取一个单元。 为了使计算单元的上游更好表示实际来流，下游避免出现反流而影响数值 计算结果，在上游和下游分别延长一段等