燃烧室高温烟气流固耦合传热数值模拟

2022-09-12

燃烧室高温烟气排放需要经过夹套结构进行冷却, 其中包括空气循环与水循环两层循环体系。如不考虑热源辐射影响, 则各体系间热量传递是通过流体与固体壁面对流换热以及固体壁面热传导实现。关于不同夹套介质流动传热规律, 陶文铨教授团队做了大量的理论与实验研究, 分别从守恒方程各项离散方法、方程求解方法、以及网格构建方法等方向进行了深入研究。对于稳态自然对流, QUICK差分格式与其他格式计算结果相近, 然而使用QUICK计算强制对流, 利用较粗网格就能得到其他格式精细网格相同结果。使用SIMPLEC及SIMPLER分别处理速度修正方程及压力场, 较之单独使用SIMPLE、SIMPLEC及SIMPLER具有更好的收敛性。

本文利用数值计算方法, 分析烟气与空气壁面及空气与水壁面传热, 得出不同流道中介质传热规律, 以及壁面传热速率。为烟气冷却管路设计提供参考。

1 数学模型

本文所计算流动Re均限制在3000以下, 使其处于层流状态, 同时假定流动过程是稳态的。所用的控制方程包括三维轴对称稳态常物性连续方程、动量方程及能量方程 (无内热源) 。还包括金属壁面稳态导热问题。

1.1 流体对流换热模型

本文涉及三种介质 (烟气、空气和水) 的流动传热计算。所以采用可压缩与不可压缩两种守恒方程表示介质流动, 其中柱坐标系下有粘流动连续、动量及能量方程如下所示:

连续方程:

能量方程如文献[4]所示。

1.2 壁面导热模型

烟气与空气隔层管壁, 以及空气与水隔层管壁均为圆柱形博壁钢结构, 受内外壁温差影响产生固体导热, 其中单层壁面导热公式可表示为:

其中, λ为导热系数, W/ (m·K) ;S为对数平均面积, m2;Q为与导热方向垂直的热流量, W;b为壁厚, m;t1, t2为壁面两侧温度, ℃;R为热阻, K/W。如已知薄壁圆筒长度L及内外半径, 则筒壁导热传热速率为:

所以只要知道壁面两侧温度及壁面导热系数即可求得壁面传热速率, 或已知传热速率反算导热系数。而根据牛顿冷却定律则可以计算壁面流体对流传热系数, 如式所示。

2 几何模型建立及条件设置

2.1 几何模型建立及网格划分

本算例采用柱坐标系下轴对称模型, 共有3个流体流道及2个壁厚5mm钢壁面区域。斜面两侧三角形区域采用非结构四边形网格, 其中有两个五边形网格, 其余区域采用结构四边形网格, 利用gambit2.4进行网格划分。

2.2 边界条件设置

流体域入口采用质量入口条件, 出口采用压力出口。对于三维轴对称圆柱坐标系, 在θ=0和θ=π这两个面上, vz=0, əvrəθ=0, əvθ/əθ=0。控制方程离散采用控制容积法, 对流项采用二阶迎风格式, 扩散项采用中心差分格式, 压力速度耦合采用SIMPLEC算法。流体温度与管壁温度通过对流导热耦合计算得出。

3 结果与讨论

通过计算烟气、空气以及水介质的流动及热量传递, 得出各流道的流体速度及温度分布, , 烟气经过突扩结构产生低流速区, 此处压力较小;反之空气流道出现渐缩段, 空气汇聚产生高速流动, 壁面热量很快被吸收扩散。烟气上部分小直径流道, 流速大导致近壁温度梯度较大, 而大直径下部区域受流道扩大影响, 有局部滞留现象, 温度梯度大;而空气流道同样符合此规律。为判断不同流道与固体壁面间的热量传递效率, 引入无量纲努赛尔数Nu及普朗特数Pr, 其中Nu表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比, 可表示为:

其中, μ为粘度, 单位Pa·s;Cp为等压比热容;k为热导率;α为热扩散系数 (α=λ/ρc) 单位:m2/s;γ为运动粘度, 单位m2/s。对于空气及烟气流动, 可以采用如下准数方程计算努赛尔数:

3.1 烟气与空气传热计算结果

烟气与空气由于具有可压缩性, 所以壁面传热边界层较厚, 尤其在斜边位置产生流体滞留现象, 上下竖直壁面段壁面内外侧温差小于10℃, 而斜面壁面两侧最大温差达到67.7℃, 由此计算出近壁Nu, 入口、出口及几何变化段Nu有突变。

3.2 空气与水传热计算结果

空气与水交界壁面努赛尔数Nu, 在空气流道渐缩段空气努赛尔数有明显减小, 主要由于贝克莱数Pe、brinkman数Br的变化, 当Pe较小时, 热局部非平衡的努赛尔数接近局部平衡的努赛尔数, 表明此时固相和流体达到热局部平衡, 然而随着Pe增加, 热局部非平衡的效应更加显著。

4 结论

本文通过烟气、空气及水在不同夹层的流动换热计算, 得到流体局部努赛尔数及壁面传热效率, 发现如下规律:

(1) 烟气流道突变结构引起局部流体滞留, 造成该处流速降低, 温度梯度增大。而空气流道规律相反。

(2) 烟气斜面温差较大, 由此带来壁面传热效率较直面低, 而局部努赛尔数并无较大差异。

(3) 空气与水换热面局部努赛尔数变化较大, 与高速空气流动有关。

摘要：高温烟气流出燃烧室需要进行夹层流体换热, 然后进入下级处理系统, 而研究夹层间流动换热效率成为温度场计算的关键。本文利用多层、多介质流体与壁面, 壁面与壁面的传热数值计算, 研究烟气管路系统传热规律, 由此得出:烟气流道突变结构引起局部流体滞留, 造成该处流速降低, 温度梯度增大。而空气流道规律相反。烟气斜面温差较大, 由此带来壁面传热效率较直面低, 而局部努赛尔数并无较大差异。空气与水换热面局部努赛尔数变化较大, 与高速空气流动有关。

关键词：烟气传热,数值计算,努赛尔数,传热效率