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11111一次表面回热器进气结构对物流分配性能的影响


第 24 卷 第 1 期 2011 年 3 月


《燃 气 轮 机 技 术》 GAS TURBINE TECHNOLOGY

Vol. 24 No. 1 Mar. , 2011

一次 表 面 回热 器进 气结 构 对 物 流 分 配 性能的影响
王 巍, 聂三希
大连 116023 )



( 大连理工大学 能源与动力学院, 辽宁


要: 不合理的进气结构造成一次表面回热器( PSR) 内 部 物流 分 配 不 均 匀, 影响回热 器 内 部 流体 的 流 动 和

传热效果。本文提出了具有导流片的进气结构, 并在尽 可能地 保 证 出 口 截 面 速 度 均 匀 分布的 前提 上, 开展了 在 所 研 究的雷 诺 数范 围 内, 改进后的进气 不同进气结构对回热器芯体入口物流分配影响的研 究。结 果 表 明, 结构中各通道出口截面速度的最大波动只有 14% 左右, 物流 分 配 已 趋 于 均 匀。 为 低 雷 诺 数 的 物流 分 配 研 究 提供了有效途径。 关 键 词: 一次表面回热器; 进气结构; 物流分配; 导流片 文献标识码: A 文章编号: 1009 - 2889 ( 2011 ) 01 - 0051 - 05

中图分类号: TK472

作为微型燃气轮机 的 关 键 部 件 之 一, 回热 器 的 研究已经 受 到 了 广 泛 关注。 其 中 一 次 表面 回热 器 ( PSR) 属于紧凑式换热器, 并具有体 积 小、 换 热 效率 。 高等特点 在以往的一次表面回热器换热和流阻分 析 中,都 假 定 流体 在 微 通 道 中 均 匀 分 配。但实 际 上,由于一 次 表面 回热 器 入口 结构 的 设计 过 于 简
[1 ] 单,很难做到均 匀 分 配 。 因此, 如何改善换热器 入口的物流分配, 从而改 善 换 热 器 整 体 效 能的 研 究

如图 1 所示。 2 ) 斜 流 式, 斜流式有顺流和逆流两种结构形 式, 来流以某一角度流到换热芯体的迎流面上, 目前 的研究大 多 数 采 用 来 流 平 行 于 芯 体 迎 面 的 设计理 论, 图 2 是顺流和逆流斜流式进、 出口结构示意图。

一直得到了国内外学者的关注。

图1

垂直流式进口结构示意图 图2 斜流式导流体结构示意图

近年来很多学者对换热器进气结构做了不少研 [2 ] 究工作 , 常用的换热器进气形式有两种: 1 ) 垂直流式, 适 用 于 在 封 头 中 使 用 挡 板 或 孔板 的换热器, 可使换热器进口处的流量分配更加均匀,
* 收稿日期: 2010 - 04 - 28 改稿日期: 2010 - 05 - 10 作者简介: 王巍( 1967 - ) , 女, 副教授。

, 扣 除 芯 体 的 压 降 ΔP 外 , 顺 流 布置 的总压力损失 等 于 进 口速 度 头 的 2. 47 倍; 而 逆 流 研究发现 布置的总压力损失仅为进口速度头的 0. 59 倍, 即只

[2 ]

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有顺流式的 1 /4 , 所以, 逆 流 式 方 案 较 佳。 本 文 采 用 了逆流斜流式进气结构。

2

数值模拟结果与讨论

1

几何描述与物理模型的建立

2. 1 进气结构对物流分配均匀性的影响 2. 1. 1 有、 无导流片进气结构的分析结果比较 4]中 的 模型 确 定 进 气 尺寸, 本文参照文 献[ 即 进气截面高度 H = 10mm, 进 气 截 面 宽 度 W = 30mm, 当量直径 De = 15mm, 长高比 L / H = 8, 以便于不同 进气结构模拟结果的比较。 采用进气结构有三片导流片的型式。导流片将 进气结构分为了三 个 通 道, 在垂直方向由上至下依 次 为 通 道 一、 通 道 二、 通 道 三。 通 道 的 长 度 依 次变 短, 各通道出口截面面积相等。 L2 = 10mm 的 进 气 结构, 采用 L1 = 10 mm, 在 Re = 450 时, 、 有 无导流片进气 结构 在 出 口 平 面 的 速 度 , 云图 如图 4 、 图 5 所示。

1. 1 物理问题描述及计算区域选取 3] 文献[ 中的一次 表面 式回热 器 采 用的 进 气 结 对 小 通 道 的 流 动 与 换 热的分析 是 构是盒式的空腔, 假设进气分配完全均匀的理想情况下进行的。这是 非常理想的状态, 实 际 上 要 通 过 完 善 的 入口 结构 来 获得。

图3

进气结构示意图

本文设计了适用于一次表面回热器的斜流式进 气结构, 如图 3 所示, 并针对流体的流动与物流分 配 的均匀性进行数值模拟。由于物流分配均匀的目的 是使一次表面回热器换热芯体的各个微通道的流量 尽可能均匀, 因此采用入口加装导流片的进气结构。 其进气结构由入口延伸段和均匀分布的导流片 组成, 导流片之间 距 离 的变 化 形 成 了不 同 结构 的 进 气通道, 有效改善 了 中 间 流 速 的 冲 击 和 各 通 道 的 流 速变化, 使其在板很薄的情况下具有较好的稳定性。 形状参数有入口截面高度 H、 结构 参 数 h 和 壁厚 S。 进气结构长度由进气延伸 段 L1 、 水 平 导流片 长 度 L2 和斜导流片分布段长度 L 组成。本文不考虑导流片 的传热影响, 选取整个进气结构进行数值模拟。 1. 2 边界条件 采 用 物 性 参 数 为 常 数 的 空 气, 模拟 限 于 雷 诺 数 为 150 ~ 450 的层流工况, 计算区域为一个总 的 进 口 与出 口 , 内部又 分 为 三 个 小 的 流 动 通 道。 采 用 质 量 入口, 自 由 出 口, 给 定 流 体 温 度 457. 3K, 常壁温 300K, 进口压力由计算迭代得出。 1. 3 网格划分 网格由 Fluent 软件的前处理软件 Gambit 生 成, 由于本文的进气结构 较 规范, 只 有 导流片 与 出 口 连 接处存在小的倾 角, 为 此 本 文 用 结构 化 的 块六 面体 网格, 采用分区划分网格的方法, 以适应各区域的几 何结构。
图5 有导流片进气结构出口速度云图

图4

没有导流片进气结构出口速度云图

由图 4 、 图 5 可知, 有导流片进 气 结构 在 整个 出 口截面上的速度 均 匀 度 得 到 了 明 显 的 改 善, 流体 的 整体速度得到了大幅度的提高。

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然而, 图 5 中, 通 道 二 出 口 截 面 的 速 度较 高, 通 道一出口截面速度次之, 通道三出口截面速度最低。 造成这种现象的原因主要是由于进口截面存在速度 边界层, 使得第一、 三通道进口速度偏低。

图8

各通道( Re = 150 ) 出口速度波动与 h 的关系

计原则, 得出 h = 0mm 时的进气结构性能最好。 2 ) 各通道出口流速、 阻力的分析
图6 出口平均速度与 Re 的关系

图 6 所 示 为 有、 无 导流片进 气 模型 的 出 口 平 均 速度随雷诺数的变化曲线, 结果显示: 出口平均速度 随 Re 的增大而增大, 有导流片进气模型的出口平均 速度明显高于没有 导流片进 气 模型 的 速 度, 且 随着 Re 的增大, 有导流片的进气 模型 的 出 口 平 均 速 度 优 势更 加 明 显 , 最大流速 相 差 超 过 50 % 。 进 一 步说 明 采用导流片进气结构不仅改善了流体进入换热芯体 的均匀分布状况, 也大大提高了进入芯体的流量。 2. 1. 2 进气结构的性能分析 首先采用改 变 结构 参 数 h, 来 分析 各 通 道 结构 。 对出口速度分布的影响 本文分别对不同结构参数 h 值的模型做了分析, 分析结果如图 7 、 图 8 所示。

h = 0mm 的 进 气 结构 各 通 道 的 图 9 为 L / H = 8, 出口速度变化。由图可知, 各 通 道 的 出 口速 度 随 Re 的增大而增大, 其 中 通 道 二 的 出 口速 度最 大。 通 道 二和通道三的出口速 度 差 距 也 随着 Re 的 增 大 越 来 越明显, 最大波动达到 24 % 。

图9

各通道出口速度与 Re 的关系

图7

不同 h 值的出口整体平均速度与 Re 的关系

1) 不同结构参数 h 对出口整体平均速度的影响 由图 7 、 图 8 可 知, 不 同 结构 参 数 h 值, 其出口 平均速度与 Re 呈线性的关系, 并且出口平均速度随 h =5 ~ 结构 参 数 h 值 的 减 小 而 增 大, 在 Re = 150 、 10mm 的区 间 内, 各 通 道 出 口速 度 变 化 幅 度较 小, 同 时在 h = 0 ~ 5mm 区 间, 出 口速 度 变 化 幅 度相 对 较 。 大 根据出口平均 速 度 高、 各通道速度波动小的设
图 10 各通道阻力与 Re 的关系

h = 0mm 的进气结构各通道的 图 10 为 L / H = 8, 流动阻力随 Re 的变化。由图 10 可知, 各通道压差随 Re 的增加而增加, 由于通道一的流道较长, 壁面摩擦 力对流动的影响较大, 导致通道一的压差较大, 在 Re

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= 450 时通道一的压差为通道二和通道三的 2. 5 倍。 三个通道的速 度 在 Re < 450 时, 出 口 截 面 上速 度波动在 24% 左右。因此, 出口截面上的速度均匀 性不能够满足一次表面回热器的物流均匀分布的要 求, 各通道进气结构有待进一步的改进。 2. 2 进气结构的进一步改进 为 了实现 各 通 道 出 口 截 面 的 速 度 尽 可能 均 匀, 本文对进气结构 做 了 如图 11 所 示 的 改 进。 进 气 结 构仍由进气延伸段、 水平导流片和斜导流片组成, 但 各通道对应的水平导流片的长度有所不同。这使得 各通道斜导流片的入口截面与整体出口截面不再是 垂直布置, 而是有一定角度。具体如下: 通道一的斜 流片导流 角度 θ 由 原来 的 7. 125° 增 大 到 10° , 在第 , 二通道内又增加一 片 斜 导流片 将 原先通 道 二 的 斜 流段分为两个流 道, 这 两 个 流 道 的 入口宽 度 分 别 为 C1 、 C2 , 所对应的出口依次为出口二、 出口三。因此, 斜导流片由原来 结构 的 三片 增加 到 四 片。 另 外, 各 通道出口截面面积不相等。
图 13 改进后各通道压差与 Re 的关系

口速度较其他通道的速 度 波 动 幅 度 尽 管达 到 10 % , 但相比改进前 24 % 的出口速 度 波 动 幅 度, 已 有 了较 大的提高。在所研 究的雷 诺 数范 围 内, 各通道出口 截面速度的最大波动只 有 14 % 左右, 物流 分 配 已 趋 于均匀。图 14 为改进后进气结构在 Re = 450 时, 垂 直于出口方向的速度云图, 也很好的说明了这一点。

图 11

改进的进气结构示意图

图 14

改进后 Re = 450 时出口平均速度云图

由于通道一较长的壁面摩擦力对流动的影响较 大, 导致通道一出口截面的速度容易出现局部波动。 但 是, 由于通道一的出口截面只占总出口的 18. 75% , 速度局部波动的面积也只占通道一出 口 截 面面积的 17% 以内, 这种现 象 可 以 通 过调节 通 道 出 。 口比例来解决
图 12 各通道出口截面速度与 Re 关系

h = 0mm, 图 12 、 图 13 分别为 L / H = 8 , 进口截面 ? ?Ⅲ = 3?3?4, 高度比 Ⅰ Ⅱ 出口截面长度比 b1 ?b2 ? b3 ?b4 = 5?9?6 ?6. 7 , C1 / C2 = 2 / 3 的进气结构 时, 各通道的速度、 压差随 Re 的变化趋势。 12 由图 可 知, 通 道 一、 二、 三 的 速 度 在 不 同 Re 时, 都比较接近, 波动幅 度 在 5 % 以 内。 而 通 道 四 的 出口速度较其他通道偏小, 在 Re = 450 时, 通道 四 出

进 气 结构 的 改 进 提 高 了 出 口速 度 的 均 匀 性, 为 低雷诺数的物流分配研究提供了有效途径。

3

结论

( 1 ) 通过数值模拟, 将 有、 无 导流片 的 进 气 结构 对出口截面平均速 度 的影响 进 行 比较, 发现有进气 导流片时, 对物流分配均匀性起到较大的作用。 ( 2 ) 出口平均速度随着 结构 参 数 h 值 的 减 小 而 增大。根据出口平 均 速 度 高、 各通道速度波动小的

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一次表面回热器进气结构对物流分配性能的影响
J] . 西安交通大学学报, 2001 , 35 ( 3 ) : 265 - 269. 能的影响[

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设计原则, 得出 h = 0 时的进气结构性能最好。 ( 3 ) 改进进 气 结构模型, 通 过 增 大 导流 角度 θ, 在第二通道内增加 斜 导流片, 各 通 道斜 导流片 的 入 口截面与整体出口 截 面 有 一 定 角度 ( 不 再 是 垂 直 布 置) , 各通道出口 截 面 不 均 匀 分 配 的 方 法, 在所研究 的雷诺数范围内, 各通道出口截面速度的最大波动 只有 14% 左右, 物流分配已趋于均匀。 ( 4 ) 通过调节 各 通 道 的 入口 及 出 口 比 例, 可以 进一步削弱出口速 度 的 局 部 波 动 幅 度, 使得出口截 面物流分配趋于均 匀, 为 低 雷 诺 数 的 物流 分 配 研 究 提供了有效途径。 参考文献:
[ 1]焦安军, 厉彦忠, 张瑞, 等. 物流分配 的 不 均 匀 性对 紧 凑 式热 器 效

[ 2]焦安军. 换热器入口物流 分 配特 性 研 究与 优化 设计[D]. 西 安: 2002. 西安交通大学, [ 3]Colin F. McDonald. Low - cost compact primary surface recuperator concept for microturbines. ( 2000 ) . [ 4] 宋勇. 一次表面回热器流动传热的数 值 与 实 验 研 究[D]. 大 连: 2006. 大连理工大学, [ 5] 焦安军, 厉彦忠, 张 瑞, 等. 物流分配的不均匀性对紧凑式热器效 J] . 西安交通大学学报, 2001 , 35 ( 3 ) : 265 - 269. 能的影响[ [ 6]M. CIOFALO,J. STASIEK AND M. W. COLLINS. Investigation of flow and heat transfer in corrugated passages - I: Experimental reJ] . Int. J. Heat Mass Transfer, 1996 , 39 ( 1 ) : 149 - 164. sults [ [ 7] 张哲, 厉彦忠, 许箐. 导流片结构 对 物流 分 配 性能影响的 实 验 研 J]. 热能动力工程, 2003 , 18 ( 6 ) . 究[ Applied Thermal Engineering, 20

Study on the Inlet Structure Effects of Primary Surface Recuperators on Performance of Material Flow Distribution
WANG Wei , NIE San - xi
( School of Energy and Power Engineering,Dalian Liaoning University of Technology,Liaoning Dalian 116023 ,China) Abstract: The flowing and heat transfer in the primary surface recuperator ( PSR ) can be influenced by unreasonable inlet structure which results in uneven material flow distribution. Inlet structure with deflector plate is presented and the impacts of different inlet configuration on the material flow distribution is studied based on the uniform outlet velocities. The results show that outlet velocities fluctuation range are 14% to maximam for improved inlet construction in the range of the discussed Reynolds number,which reveals uniform material flow distribution. The effective way of material flow distribution at low Reynolds number is provided. Key words: primary surface recuperators; inlet structure ; material flow distribution; deflector plate

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Empirical Prediction Method of the Surge Line of Axial Flow Compressors Based on Statistical Experimental Data
2 XIANG Hong - hui1, , GE Ning1 , REN Ming - lin2

( 1. College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016 ,China; 2. China Gas Turbine Establishment, Aviation Industry Corporation of China,Sichuan Jiangyou 621703 ,China) Abstract : The surge test data of a large number of axial flow compressors were analyzed according to the statistical calculation method of axial flow compressor characteristics. The general regularity for change of the performance parameters of the same type of axial flow compressors at the surge line were also summarized. Based on the above,any surge parameters of axial flow compressors at off - design speed were connected to the surge point at design speed,and an simplified empirical method used for the prediction of the surge line of axial flow compressors was established. The results compared with the experimental data show that the empirical method established in this paper can reasonably estimate the surge line trends of axial flow compressors,and it basically meets the project requirements as well as provides an effective auxiliary means for the surge experiment of axial flow compressors. Key words: axial flow compressor; surge line; curve fitting; empirical formula


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