黄风良,孙志坚,李鹏程,顾金芳,胡亚才

（1.浙江大学热工与动力系统研究所,浙江杭州310027；2.浙江开尔新材料科技股份有限公司,浙江金华321031）

带扰流孔波纹板的传热和阻力特性

黄风良1,孙志坚1,李鹏程1,顾金芳2,胡亚才1

（1.浙江大学热工与动力系统研究所,浙江杭州310027；2.浙江开尔新材料科技股份有限公司,浙江金华321031）

通过数值模拟方法分析DU-1（双皱纹型）波纹板通道内不同Re数下的温度场、速度场以及压力场,提出在DU-1板上开圆形扰流孔以增强传热效果.针对波纹通道内波纹板和定位板与空气层传热接触面积的不同,拓展了单吹技术数学模型.考虑扰流孔孔径、间距、位置以及排列方式4种影响因素,利用正交实验法对开扰流孔后DU-1板的传热和阻力特性进行系统研究,分析4种因素的影响规律.利用综合平衡分析法得出提高DU-1板传热效果和降低流动阻力的最佳水平组合.通过试验验证发现,该带扰流孔DU-1波纹板相对于无扰流孔时传热特性增加19.87%,流动阻力减少24.53%.

回转式空预器；波纹板；扰流孔；单吹技术（STB）；传热和阻力特性

回转式空气预热器是燃煤电厂中一个重要的组成,因为它可以回收烟气中的低品位热能［1］.回转式空气预热器通常由密集包装的传热波纹板组成,因此传热波纹板是回转式空预器的核心部件,波纹板的结构决定回转式空预器的传热特性、流通阻力等情况,而传热特性直接关系到回转式空预器的效率［2］.因此,加强空气预热器传热波纹板的基础理论研究和产品开发,对于降低生产成本,减少运行维护费用,节约能源和金属材料消耗,具有重要的意义.

目前应用较多的传热波纹板型有双皱纹型（DU板）、人字板型（CC板）、皱纹板型（CU板）以及双切口板型（DN板）,国内常用的为DU板和CC板［2］.因有较高的热力特性、较低的阻力、简单的结构及较高的硬度,CC板被大量的研究和应用［3-10］,但由于商业专利限制,目前对DU板基本没有公开文献可以参考.

本文通过对回转式空预器热段常用波纹板DU-1的数值模拟,分析通道内温度场、速度场及压力场后,提出在波纹板上开圆形扰流孔以增强传热效果.针对波纹通道内波形板定位板与空气层传热接触面积的不同,对实验段内的传热进行分析,拓展了单吹技术（single blow technology,STB）数学模型.考虑圆形孔径、间距、位置及排列方式的影响因素,利用正交实验法安排实验对开扰流孔后DU-1板的传热和阻力特性进行系统研究,根据实验结果详细分析4种因素的影响规律.

1 数值模拟

1.1 计算网格与模型

DU-1板由DU板改良而成,由定位板与波形板交替叠加而成.波形板为倾斜30°的波纹,定位板由切口、波纹交替连接组成,定位板与波形板波纹倾斜方向相反,摆放结构如图1（a）所示.通道内交错的波纹打断了边界层的发展,增强了换热,切口位置的通道纵向竖直,这为有效地探测着火点提供了方便.

取DU-1波纹板通道的一个单元进行研究,利用区域分解法,采用非结构化Tet／Hybrid网格.通过局部加密改善网格质量,通过网格质量检查可知,最大歪斜率（skewness）为0.883.

通过对比试验,Ciofalo等［5］发现,在模拟CC波纹板通道流动的5种模型中,最好的是标准k-ε模型（LBKE）.LBKE的缺点是对强分离流动、包含大曲率的流动和强压力梯度流动的模拟结果较差, RNG k-ε模型是标准k-ε模型的改进模型,RNG k-ε模型在强流线弯曲、漩涡和旋转方面比标准k-ε模型具有优势［11］.RNG提供了一个低雷诺数的解析公式,能够较好地解决局部低雷诺数的流动模拟,因此,本文选择RNG k-ε模型.

图1 DU-1波纹板几何结构Fig.1 DU-1 geometry

1.2 计算方法

定义上、下波形板面为恒壁温（400 K）,壁面厚度为0.5 mm,定位板的上、下面为流固耦合面.

通道进口速度、温度分布均匀（300 K）,通道出口为压力出口,通道左、右面为对称边界条件.计算沿着流通方向进行,直到计算结果收敛.空气的密度、比热容、热导率以及黏性都设置为温度的二次函数.

通过SIMPLE模型求解N-S方程,通过QUICK模型求解对流关系,同时通过二阶中心差分方法求解扩散项.检测残差、出口压力、温度、速度及能量守恒方程以判断计算是否收敛.

1.3 结果分析

如图2～4所示为不同Re数下,L-L截面（见图1（b））的温度场、速度场以及压力场.由图2可知,DU-1通道内,随着Re的增大,空气温度分布愈加不均匀,在定位板与波形板通道面积较大的地方,传热效果相对变差.由图3可知,同一Re条件下, DU-1通道内的空气流速分布很不均匀,流通面积较大的地方速度较小,波形板与定位板距离较近的地方,流动速度较大.随着Re的增大,通道内流动不均匀性增加.由图4可知,在两块波形板与一块定位板组成的2个通道内,静压分布很不均匀,并且下通道静压比上通道大.

在中间定位板上开圆形扰流孔,借助上、下通道压力差,产生回流,增强传热效果.同时,扰流孔消除局部大速度,通道空气速度分布更加均匀,整个通道内的传热效果得以增强.据此,本文提出在DU-1板上开圆形扰流孔以提升传热效果.

图2 L-L截面不同Re下温度分布Fig.2 Temperature fields in section L-L

图3 L-L截面不同Re下速度分布Fig.3 Velocity fields in section L-L

图4 L-L截面不同Re下静压力分布Fig.4 Pressure fields in section L-L

2 实验研究

2.1 单吹技术

瞬态对流实验法是一种获得加热面对流传热系数的实验方法,通常由3个元素组成：作为传热分析的单元实验段、关联测量温度与传热系数的计算模型、评估测量温度曲线与计算温度曲线的机制［12］.单吹技术（SBT）是一种应用单一流体的相对简单的瞬态实验方法.在单吹技术中,进口流体温度随时间而变化,相应的出口流体温度曲线被记录下来.记录的出口流体温度曲线随后和模型计算出来的出口流体温度曲线进行比较,以确定平均传热系数［13］.相对于稳态实验方法,单吹技术有几个优点：实验装置简单且对每个数据的实验时间相对较短；无需测量瞬态过程中复杂变化的板温.

本实验要在DU-1板上开扰流孔,通常意义的稳态实验无法进行,因此采用单吹技术进行实验.

2.2 实验数学模型

单流体吹动技术问题的数学模型和解析解最初由Schumann［14］提出,Pucci等［15］对瞬态对流传热法的基础理论作了很好的归纳.Liang等［13］提出一种改进的瞬态对流实验法,以减少假设入口流体温度是阶跃变化引起的误差.Mullisen等［16］通过数值模拟扩充了Liang等［13］的分析.他们的方法被视为是解决瞬态实验数据最好的方法,本文考虑到DU-1波形板与定位板与空气换热接触面积不同,在文献［16］的基础上进行传热分析.

本文的实验空气及波纹板温升都小于30℃,物性变化可以忽略,故本文的假定如下.

1）空气和实验段波纹板的密度、比热容和导热系数等热物性参数近似不变.

2）空气匀速流动,并且在矩形截面上是均匀分布的［17］.

3）沿空气流动的垂直方向,空气和波纹板的温度近似不变.

4）实验段的外边界散热量可以忽略.

实验段部分如图5所示.Sheer等［18］提供的方法是用来定义控制容积的,本文针对波形板、定位板与空气层传热接触面积不同,单位长度d x内的能量转换过程如图6所示.能量转换方程如下：

图5 DU-1实验段示意图Fig.5 DU-1 plate test core

图6 控制体积内能量方程Fig.6 Energy balance inside a control volume

相应的初始条件和边界条件如下：

式中：ρ为密度；δ为厚度；k为导热系数；c为比热容；T为温度；t为时间；h为平均对流传热系数；x为沿流向的坐标；W为表面换热面积；下标s1、s2、f分别表示波形板、定位板和空气层,Tin和Tout为测得的进、出口流体温度.

式（1）～（3）通过控制容积积分法可以转化为有限差分方程［19］.离散后的方程如下.

离散化方程的起始和边界条件如下：

离散方程通过陶文铨［19］推导的三对角阵算法解得.为了求得传热系数h,首先假设h,利用式（10）～（12）求解式（7）～（9）,将求解出来的温度与实际测量值进行比较.通过改变h进行迭代计算,直到求解出来的温度与实际测量温度相差在设定范围内.

2.3 实验装置及步骤

如图7所示为实验装置的示意图,是一个带有130 mm×63.5 mm×600 mm试验段的风洞.整流段保证进入试验段内的空气均匀而平稳,电阻加热器能够把进口空气温度加热30℃,试验段周围敷有保温材料以保证绝热边界条件.

试验段进、出口通道各均匀布置9个热电偶以采集空气温度,温度测试误差为±0.5℃.试验段进出口周围各均匀布置8个静压测口,压差通过补偿式微压计测得,误差小于0.3 Pa.通过风机风阀不断改变空气流速,在整流段后面通道的中央位置用热线风速仪测量风速,误差小于5%.

实验步骤为首先开启风机,打开34970A型温度采集仪,调整空气流速,待实验段进出口温度达到一致后打开电阻加热器.数据采集仪以1 Hz的频率记录空气温度,持续时间为600 s,同时记录试验段的阻力.在不同流速下分别进行实验,可以获得柯本因子数j和达西阻力系数f与Re数的关系.

图7 单吹实验装置Fig.7 STB test apparatus

2.4 正交实验方法安排实验

为了系统地对带扰流孔DU-1板传热和阻力特性进行研究,考虑扰流孔孔径、间距、位置以及排列方式4种影响因素以设计实验.考虑到DU-1板上开扰流孔加工的经济性,本文的加工方案为先在平直板上冲压打孔,然后再挤压成波.如图8所示,扰流孔在板上的分布方式分为顺排为与叉排2种.

DU-1板当量直径ddl为9.96 mm,扰流孔直径d取为4、6、8 mm,孔间距S取为12、16、20 mm,孔位置分为：定位板上开孔、波纹板上开孔、波纹板定位板都开孔（后简称为都开孔）,排列方式为顺排与叉排.

采用正交试验设计法［20］设计实验,采用正交试验表中的L9（34）安排试验.除去无扰流孔DU-1板,对9种开扰流孔DU-1板进行试验,以全面判断,4种因素对DU-1板传热和阻力特性的影响, 9种板型如表1所示.

图8 扰流孔排列方式Fig.8 Arrangement of spoiler holes

表1 正交试验安排板型结果Tab.1 Plate model results through orthogonal experiments

首先对无扰流孔DU-1板的传热和阻力特性进行试验研究,然后对9种开扰流孔的DU-1板进行研究,分别将它们的传热与阻力特性与DU-1基板进行比较.

2.5 数据分析及讨论

实验中求得换热系数h最终转化成无量纲柯本因子数j,

实验段内压力损失以无量纲达西摩擦系数f表示,计算式为

式中：Kc和Ke为实验段进出口压力损失系数［1］.

图9展示了无扰流孔DU-1板典型的测量出口温度与单吹模型理论计算出口温度比较图.图9中,理论计算的出口空气温度曲线与实验测量出口温度曲线在h＝62.08 W／（m2·K）时很匹配,理论和实验温度的均方根差为0.349 K.

图10、11展示了测得的无扰流孔DU-1板与文献［18］的DU板的实验值的比较.当Re为1 000～11 000时,DU-1板的传热特性平均比DU波纹板低17.41%,但是流动阻力平均比DU波纹板低55.96%,说明DU-1板改善了DU板的传热和阻力特性.

通过实验得到9种开扰流孔DU-1板的实验数据,当Re为1 000～11 000时,分别将各开扰流孔DU-1板柯本因子数j以及达西阻力系数f与无扰流孔DU-1板进行比较,求出此Re数范围内的平均差值,如表2所示.

图9 Re＝3 805时实验数据记录Fig.9 Experimental data processing for Re＝3 805

为了得到每个因素各水平对最终实验结果的影响,将每个水平上的重复实验指标数据求和,称为指标和,用Ki（i表示水平顺序号）表示,对其求平均为指标平均值,用表示.为了了解各因素对结果的影响作用大小,引入极差R,R为诸因素各水平中的最大值与最小值的差值.R大说明其对实验指标的影响大,R小说明对实验指标的影响小［20］.在本文研究中,带扰流孔DU-1板的传热特性相对于无扰流孔DU-1板增大越多越好,阻力特性则减少越多越好.

图10 DU-1板与DU板的j比较Fig.10 Comparison of j data of DU-1 with DU

图11 DU-1板与DU板的f比较Fig.11 Comparison of f data of DU-1 with DU

表2 正交试验结果Tab.2 Results of orthogonal experiments

2.5.1 传热特性 由表3可知,随着扰流孔直径的增大,相对于无扰流孔DU-1板,指标平均值逐渐减小.在本文的研究范围内,随着扰流孔直径的增大,带扰流孔的DU-1板传热特性的增加量减小.由扰流孔位置及排列方式的指标平均值可知：定位板上开扰流孔的传热特性效果增加最明显,波形板上开孔时传热特性增加量比在定位板上开孔时稍微少一些,定位板波形板都开孔时,传热特性增加最不明显；孔顺排布置传热特性增加量比叉排布置时大.

对于扰流孔间距,在本文的研究范围内,当扰流孔间距从12 mm增大到20 mm时,传热特性增加量先减小后增大.

表3 各因素对传热效果的影响Tab.3 Influences to heat transfer characters of four factors %

由表3的R值比较可知,扰流孔在DU-1板上的开孔位置对最终传热特性的影响作用最大,孔排列方式次之,孔间距的影响在第3位,孔直径的影响最不明显.

2.5.2 流动阻力 由表4可知,在本文的研究范围内,随着扰流孔直径的增大,带扰流孔的DU-1板流动阻力较无扰流孔DU-1板逐渐减小.分析孔排列方式的影响可知,在叉排排列时,流动阻力减少量大于顺排排列.

对于孔间距,在本文的研究范围内,当间距从12 mm增大到20 mm时,流动阻力减少量先减小后增大.

对于孔位置,由表4可知,当孔布置在定位板上时,流动阻力平均减少17.72%；布置在波形板上时流动阻力增加5.42%；当定位板波形板都布置时,流动阻力减少18.62%.

由表4的R值比较可知,扰流孔孔直径对最终流动阻力的影响作用最大,孔位置次之,孔间距影响在第3位,孔排列方式影响最不明显.

利用综合平衡分析法［20］分析扰流孔孔径、间距、位置以及排列方式4种影响因素对开扰流孔DU-1板传热和阻力特性的影响,综合平衡热特性和流动阻力,得出理论最优水平组合如下：孔直径为8 mm、间距为20 mm、定位板开孔、顺排,此时的带扰流孔DU-1板具有传热特性增加和流动阻力减少的最好效果.

表4 各因素对阻力特性的影响Tab.4 Influences to resistance characteristics of four factors

通过对该种带扰流孔DU-1板的验证实验发现,传热特性较无扰流孔DU-1板增强19.87%,流动阻力减少24.53%.

3 结 论

（1）本文通过对回转式空预器热段常用波纹板型DU-1流道内传热和流动的数值模拟,研究不同雷诺数下流道截面上的温度场、速度场以及压力场,提出在DU-1板上开圆形扰流孔,产生回流以增强传热效果.

（2）针对DU-1板通道内波形板和定位板与空气层传热接触面积的不同,对试验段内传热进行分析,拓展了单吹技术（STB）数学模型.实验结果表明,本文模型的传热计算精度很高.

（3）考虑圆形扰流孔孔径、孔间距、孔位置以及孔排列方式的影响因素,利用正交实验法安排试验.通过对试验结果的分析,详细讨论4种因素对DU-1板传热和流动阻力的影响规律.

（4）通过综合平衡分析法,得出提高DU-1板传热效果和降低流动阻力的最佳水平组合.通过实验验证发现,此种带扰流孔DU-1板比无扰流孔DU-1板传热增强19.87%,流动阻力减少24.53%.

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Heat transfer and resistance characteristics of corrugated plate with spoiler holes

HUANG Feng-liang1,SUN Zhi-jian1,LI Peng-cheng1,GU Jin-fang2,HU Ya-cai1
（1.Institute of Thermal Science and Power Systems,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China；2.Zhejiang Kaier New Materials Corporation,Jinhua 321031,China）

The temperature fields,velocity fields and pressure fields in the passage of double corrugated（DU）-1 plate at different Re were simulated through the simulation.The simulation round spoiler holes was proposed to enhance heat transfer of DU-1 plate.The mathematical model of single blow technology（STB）was developed according to the difference of heat transfer area of positioning plate and corrugated plate with air in the passage.Considering diameter,spacing,position and arrangement of the round holes, orthogonal experiments which could considerably increase experiment efficiency were conducted to determine the experimental plate models.The overall mean heat transfer coefficients and friction factors were measured through single blow technology experiments.The influence of four factors to heat transfer and resistance characteristics of DU-1 with round holes was discussed through the analysis of experimental results.The best combination of the four factors which could enhance heat transfer and reduce flow resistance to the best of DU-1 was raised through consolidated balance analysis.The DU-1 plate has 19.87%increase in heat transfer and 24.53%reduction in flow resistance compared with DU-1 without round holes.

rotary air preheater；corrugated plate；spoiler hole；single blow technology（STB）；heat transfer and resistance characteristics

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.006

TK 124

A

1008- 973X（2015）07- 1242- 07

2014- 07- 05. 浙江大学学报(工学版)网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

金华市科学技术研究计划重点资助项目（20131031）.

黄风良（1989－）,男,硕士生,从事换热器强化传热、空气预热器热力计算等研究.E-mail：huangfl_123＠163.com

孙志坚,男,副教授.E-mail：sun_zju＠126.com