任嘉友 王子云 高 原 付 召 齊潤生 吳玉玲

豎直通道內(nèi)煙氣驅(qū)動空氣自然對流換熱數(shù)值模擬

任嘉友 王子云 高 原 付 召 齊潤生 吳玉玲

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065）

采用數(shù)值模擬和無量綱分析方法，對煙氣驅(qū)動空氣自然對流換熱裝置的流動、換熱情況進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）隨著空氣通道瑞利數(shù)的增加，煙氣通道換熱邊界層變薄，空氣通道換熱邊界層變厚；（2）換熱量隨煙氣通道入口溫度增大而增大，同時，隨著煙氣通道入口流速增大，換熱量的增加顯著；（3）無量綱煙氣通道入口流速為0.93時，隨著煙氣通道入口溫度的增大，煙氣通道內(nèi)的回流區(qū)從無到有，且寬度逐漸增大，對傳熱過程的不利影響作用更強。因此，通過增大煙氣通道入口流速，能明顯減小煙氣通道內(nèi)回流區(qū)寬度，增強自然對流強換熱效果。

煙氣；自然對流換熱；余熱；數(shù)值模擬；無量綱分析

0 引言

隨著我國節(jié)能減排步伐的加快，工業(yè)余熱的利用顯得尤為重要。目前，我國正處于工業(yè)化中后期，工業(yè)能耗約占社會能耗的70%[1]，其中煙氣余熱占工業(yè)余熱資源總量的50%以上，廣泛分布于各個工業(yè)行業(yè)，煙氣余熱利用潛力大[2]。

將煙氣作為自然對流換熱過程的驅(qū)動熱源，為排煙氣的建筑或者臨近區(qū)域建筑提供自然通風(fēng)，將會提高能源利用效率，降低煙氣對環(huán)境的熱污染。同時，能為建筑提供無風(fēng)機能耗的新風(fēng)及熱量，營造良好的室內(nèi)環(huán)境。一般情況下，煙氣排放都是在豎直方向排放的，因此考慮在豎直矩形排煙通道外側(cè)套一個豎直矩形空氣通道，以煙氣余熱為熱源，驅(qū)動空氣自然對流。國內(nèi)外有大量學(xué)者對側(cè)壁加熱豎直通道的空氣自然對流及其傳熱過程進(jìn)行試驗或數(shù)值模擬研究。D Roeleveld[3]利用可視化技術(shù)和激光干涉測試法對在非對稱等溫加熱豎直通道內(nèi)的反浮力進(jìn)行研究，結(jié)果表明，這種反浮力可能導(dǎo)致通道內(nèi)的流動不穩(wěn)定。Assunta Andreozzi等[4]采用實驗方法研究了豎直通道中心線位置的非加熱輔助平板對通道內(nèi)輻射換熱和自然對流換熱影響效果。研究結(jié)果表明，在高熱流量和高瑞利數(shù)下，輔助平板位于通道出口時，最大通道壁溫為最低值。Shwin-Chung Wong[5]等采用有拓展計算域和無拓展計算域的數(shù)值模擬方法對二維豎直等溫平板陣通道列進(jìn)行研究，結(jié)果表明：（1）在內(nèi)羽流區(qū)域具有較強的附加熱羽流浮力；（2）通道外部具有較高的入口分離阻力，平板通道陣列整體的傳熱系數(shù)隨著平板通道數(shù)量的增加而增加，傳統(tǒng)的對于多平板通道陣列具有相似傳熱性能的假設(shè)需要修正。

上述研究是針對恒定熱源的豎直通道自然對流的換熱及流動狀態(tài)進(jìn)行研究，在實際工程中，豎直通道壁面的熱源可能為不穩(wěn)定熱源，或者不均勻熱源。本文研究對象為豎直通道在高溫?zé)煔馔ǖ兰訜嵯碌目諝馔ǖ罁Q熱性能，其熱源不均勻。采用數(shù)值模擬及無量綱分析方法來研究不同煙氣對空氣自然對流的驅(qū)動效果及換熱情況。

1 數(shù)學(xué)及物理模型

1.1 物理模型及基本假設(shè)

換熱通道俯視圖見圖1，內(nèi)側(cè)為矩形煙氣通道，外側(cè)為矩形空氣通道，空氣通道內(nèi)、外側(cè)管壁均為不銹鋼材。高溫?zé)煔庀蛏狭鲃樱瑢崃坑晒鼙趥魅肟諝馔ǖ?，使空氣產(chǎn)生向上的自然對流。為節(jié)省模擬計算時間，取圖1中1-1剖面，且由于該剖面對稱，取一半進(jìn)行計算，利用Gambit 2.4[6]創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。換熱通道簡化模型見圖2，換熱通道簡化模型幾何尺寸見表1。

對模型做如下假定和說明：

（1）煙氣與空氣溫差較大，選用不可壓縮理想氣體模型進(jìn)行自然對流計算[7]；

（2）流體在通道壁面上為無滑移邊界條件；

（3）換熱量及空氣質(zhì)量流量的計算以換熱通道俯視圖長度方向上單位長度（1m）對應(yīng)的體積流量進(jìn)行計算。

圖1 換熱通道俯視圖

圖2 換熱通道簡化模型

表1 換熱通道簡化模型幾何尺寸

1.2 守恒方程

不可壓縮連續(xù)流動控制方程如下：

表2 φ、Γ、S對應(yīng)參數(shù)

無量綱數(shù)：

引入無量綱量：

1.3 邊界條件

左側(cè)點畫線設(shè)為symmetry類型，中間管壁兩側(cè)為耦合壁面，右管壁內(nèi)側(cè)設(shè)為耦合壁面，外側(cè)設(shè)為絕熱壁面。煙氣通道進(jìn)、出口分別設(shè)為速度入口、壓力出口；空氣通道進(jìn)、出口分別設(shè)為壓力入口、壓力出口；si=19，ai=0；煙氣通道及空氣通道內(nèi)部的壁面發(fā)射率為0.05，外壁面考慮為絕熱，因此不需要考慮壁面發(fā)射率。

1.4 網(wǎng)格劃分及離散求解方法

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分模型，對管壁及其附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)為118000，換熱通道簡化模型網(wǎng)格見圖3。采用SIMPLEC算法；采用有限容積法對控制方程進(jìn)行離散，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)-模型，并考慮增強壁面的處理方法[8]，全浮力效果，輻射模型選用Do模型；動量、湍流動能、湍流擴散率、能量方程、Discrete Ordinates均采用二階迎風(fēng)格式，并選用合適的亞松弛因子。

圖3 換熱通道簡化模型網(wǎng)格

2 不同Ra下的溫度分布

圖4 不同Ra下的溫度分布圖

如圖4所示，在低時，煙氣通道內(nèi)的換熱邊界層較厚，且煙氣通道出口存在回流區(qū)，兩者均對傳熱有不利影響。而較高下，煙氣通道換熱邊界層較薄，出口回流區(qū)消失，對傳熱過程有正面影響，同時，煙氣通道與空氣通道之間的管壁溫度有明顯升高，其與空氣通道外側(cè)管壁輻射換熱增強。此外，較高下，空氣通道換熱邊界層也略微增大。

3 Nu、空氣無因次體積流量與Ra的關(guān)系

圖5為隨的變化圖，隨著增加也增大，這是由于煙氣通道側(cè)的換熱邊界層變薄，導(dǎo)致?lián)Q熱增強，同時由于換熱間壁溫度增加，輻射換熱強度也增加。而隨著的增加率卻略有降低，由于增加，空氣通道內(nèi)的換熱邊界層厚度逐漸增大，對整體換熱過程有一定的削弱作用。圖6為空氣無因次體積流量a*隨的變化情況，隨著的增加，空氣無因次體積流量a*逐漸增大，變化情況接近線性變化。

圖5 Nu隨Ra變化圖

圖6 空氣無因次體積流量隨Ra變化圖

4 換熱量與煙氣溫度變化關(guān)系

圖7 換熱量隨θsi變化圖

圖8 不同θsi下煙氣通道回流區(qū)寬度

5 結(jié)論

（1）隨著增加，煙氣通道換熱邊界層變薄，空氣通道換熱邊界層變厚；

[1] 馮惠生,徐菲菲,劉葉鳳,等.工業(yè)過程余熱回收利用技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2012,20(1):57-63.

[2] 連紅奎,李艷,束光陽子,等.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù),2011,29(2):123-128.

[3] D Roeleveld, D Naylor.Flow visualization of natural convection in vertical channels with opposing buoyancy forces[J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2014,54(2):61-70.

[4] Assunta Andreozzi, Oronzio Manca. Radiation effects on natural convection in a vertical channel with anauxiliary plate[J].International Journal of Thermal Sciences, 2015,97:41-55.

[5] Shwin-Chung Wong, Shih-Han Chu. Revisit on natural convection from vertical isothermal platearrays–effects of extra plume buoyancy[J].International Journal of Thermal Sciences, 2017,120:263-272.

[6] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:160-172.

[7] 宋姍姍,郭雪巖.Boussinesq近似與封閉腔體內(nèi)自然對流的數(shù)值模擬[J].力學(xué)季刊,2012,33(1):60-67.

[8] 張兆順,崔桂香,許曉春,等.湍流理論與模擬(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2017:254-258.

Numerical Simulation of Air Natural Convection Heat Transfer Driven by Flue Gas in Vertical Channel

Ren Jiayou Wang Ziyun Gao Yuan Fu Zhao Qi Runsheng Wu Yuling

(College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065)

Numerical simulation and dimensionless analysis are used for study flow and heat transfer of natural convection heat transfer which driven by flue gas in an equipment. The study results indicate that: (1) heat transfer boundary layer of flue gas channel decrease withnumber of air channel, heat transfer boundary layer of air channel left side increase with; (2) heat transfer rate increase with average temperature of flue gas channel inlet, and increase with average flow rate of flue gas channel inlet remarkably; (3) when the dimensionless average flow rate of flue gas channel inlet is 0.93, as temperature of flue gas inlet is increased, backflow region of flue gas is appear, then width of back flow region become bigger gradually, which has increasing resistance effects on heat transfer. As results, increasing average flow rate of flue gas inlet can reduce width of back flow region, and reinforce natural convection heat transfer effects.

flue gas; natural convection heat transfer; residual heat; dimensionless analysis

1671-6612（2019）01-001-5

TK

A

任嘉友（1993.08-），男，碩士，E-mail：2016223050039@stu.scu.edu.cn

王子云（1972.11-），男，博士，副教授，E-mail：wzyfirst@163.com

2018-04-19