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        大型結冰風洞蒸發(fā)器氣流溫度均勻性研究

        2022-01-14 03:45:10張平濤王文瑄郭向東
        低溫工程 2021年5期
        關鍵詞:風洞溫度場氣流

        張平濤 王文瑄 郭向東 陳 良 侯 予

        (1 中國空氣動力研究與發(fā)展中心結冰與防除冰重點實驗室 綿陽 621000)

        (2 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

        1 引 言

        大型結冰風洞是開展飛行器結冰與防除冰研究的重要地面設備,結冰風洞換熱器出口氣流溫度均勻性好壞決定了結冰風洞熱流場品質和試驗質量效率。前期風洞校測數據表明,試驗風速、模擬高度、噴霧及防冰熱氣等因素均會對換熱器出口溫度均勻性造成一定影響。為進一步優(yōu)化提高結冰風洞熱流場品質,急需對其換熱器熱力學性能開展相關研究[1-2],目前國內外關于普通換熱器換熱均勻性有大量研究,但是還沒有關于大型蒸發(fā)器的研究。

        在風洞熱流場和換熱器換熱均勻性研究方面,Carl E.Jauch[3]等發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的翅片管換熱器中每個單獨的模塊上安裝流量平衡閥可以進行溫度均勻性調整。趙波[4]采用工程計算及數值模擬的方法,對0.6 m 跨超聲速風洞換熱器性能進行了數值模擬和優(yōu)化設計,發(fā)現(xiàn)采用交錯進水的方式可以很好的改善溫度場均勻性。上述研究主要針對常溫風洞,而大型結冰風洞中采用液氨蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)及大型液氨蒸發(fā)器實現(xiàn)氣流降溫,使得大型結冰風洞蒸發(fā)器流動換熱工況十分復雜,需要針對蒸發(fā)器管內氨液兩相流動換熱、流量分配和控制和翅片管空氣對流換熱等開展深入研究。為了考量大型蒸發(fā)器的高度落差對蒸發(fā)器后氣流溫度場不均勻性的影響,本研究基于氨兩相流動換熱系數與壓降的實驗關聯(lián)式建立了換熱器一維熱力學模型,并且考慮蒸發(fā)器前后閥門特性及液氨靜壓與蒸發(fā)溫度的變化,針對導致蒸發(fā)器氣流場溫度不均勻性的原因及調節(jié)方法開展研究。

        2 結冰風洞換熱器仿真模型

        2.1 模型簡化與控制方程

        大型結冰風洞換熱器如圖1 所示。換熱器分為左右兩部分,每部分高度8 m,寬度7 m,在高度方向上分為4 個模塊。為減少次要變量干擾和精簡計算過程,假設換熱器入口氣流速度和溫度均勻,將換熱器管內外流體簡化為一維流動,采用實驗關聯(lián)式進行流動壓降、流體與管壁/翅片換熱計算,同時考慮換熱器各模塊進出口閥門流量特性對管內氨液分配與蒸發(fā)壓力的影響,將換熱器結構按從上至下分為第1 模塊、第2 模塊、第3 模塊和第4 模塊,在MATLAB 平臺上建立進液閥-換熱器-回氣閥系統(tǒng)熱力學仿真模型。

        圖1 結冰風洞液氨蒸發(fā)器總體結構及計算單元劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of ammonia evaporator in icing wind tunnel and simulation unit

        連續(xù)方程和能量方程方程采用一維形式,動量方程簡化為穩(wěn)態(tài)壓降計算公式。

        式中:ρ為換熱流體密度,kg/m3;u為流體平均速度,m/s;為單位換熱量,Wm3;h為焓值,J/kg。

        換熱器低溫管路兩相流動計算主要針對兩方面:壓降特性與換熱特性[5-7]。在壓降計算部分,使用分相模型,首先計算單相流體的壓降dPLO,然后通過液相系數修正因子計算兩相壓降。采用Blasius 公式計算換熱器管內氨液紊流流動對應的單相摩擦因子。采用合成法(Chen’s model)進行管內兩相流動換熱系數計算,包括核態(tài)沸騰部分的換熱系數和對流蒸發(fā)的換熱系數。大型換熱器的高度落會差造成各模塊入口氨液過冷度不同,高度落差越大過冷度越大。在這種情況下,需要考慮管內液體單相流動換熱的情況,采用Dittus-Boelter 公式預測對流換熱系數。空氣側為強制對流換熱,考慮翅片對換熱的強化作用,按照翅管式換熱器空氣側流動公式進行計算[8]。

        2.2 閥門流量特性計算

        換熱器氨液管路入口是流量調節(jié)閥,出口是壓力調節(jié)閥,通過兩個閥門組合調節(jié)控制管內氨液流量和蒸發(fā)壓力。

        表1 換熱器進出口閥門參數Table 1 Inlet and outlet valve parameters of heat exchanger

        直線流量特性下,氨液閥門流量與開度關系如下:

        式中:L/Lmax為開度,R為理想可調閥門參數,一般取值為30。閥門Kv值計算公式為:

        3 模型驗證

        研究中使用的試驗數據來源于中國空氣動力研究中心。采用換熱器后氣流溫度試驗數據對仿真模型進行驗證,共完成了8 個試驗工況下的數據對比,工況條件設置見表2。

        表2 換熱器出口氣流溫度驗證數據Table 2 Verification data of heat exchanger outlet airflow temperature

        圖2 進行了模型預測值與試驗數據的對比,均方根偏差為0.43 ℃符合精度要求。工況1 和工況2 的數據對比表明氣流溫度隨著蒸發(fā)器高度由高至低逐漸升高,計算結果與試驗結果趨勢一致。通過不同高度模塊流量分布可以看出,缺液導致的換熱不足是造成換熱器后氣流溫度場不均勻的因素之一。

        圖2 出口氣流溫度結果對比、兩組試驗工況下?lián)Q熱器后氣流溫度與各模塊流量Fig.2 Comparison of outlet air temperature,airflow temperature after evaporator and flow rate of each module under two test conditions

        4 換熱器出口氣流溫度場均勻性仿真

        4.1 換熱器單元高度對氣流溫度場均勻性影響

        飽和氨液流經分液器后進入不同換熱器模塊單元,高度落差造成各單元管內氨液蒸發(fā)壓力不同。表3和表4 的研究結果表明隨著低循桶壓力的降低,換熱器出口氣流場最大溫差由2.2 ℃變?yōu)?.7 ℃。這是因為在入口氨液壓力較低時,飽和溫度-壓力變化曲線梯度變大,引起的蒸發(fā)壓力變化更為顯著,最終導致氣流溫度場均勻性變差。

        表3 不同工況下?lián)Q熱器不同模塊出口溫度Table 3 Outlet temperature of different modules of heat exchanger under different working conditions

        表4 不同工況下?lián)Q熱器不同模塊管道出口壓力Table 4 Outlet pressure of different modules of heat exchanger under different working conditions

        4.2 風速對溫度場均勻性影響

        設計了5 個不同的風速工況研究其對溫度場均勻性的影響,各風速大小見圖3,其余條件相同。由圖3 可知,在風速逐漸增大的情況下,換熱器出口溫度升高,其出口最高溫度和最低溫度的差值變小。這是因為在低風速下?lián)Q熱器負荷較低,空氣與氨液換熱溫差較小,換熱器管內氨液飽和溫度和流量變化的影響更為明顯。而在高風速情況下,換熱器負荷大,空氣流經換熱器的有效換熱時間縮短,空氣與氨液之間存在較大換熱溫差,使得管內氨液兩相換熱對氣流場溫度均勻性的影響減小。

        圖3 不同風速工況出口氣流溫度分布及溫度場溫差變化圖Fig.3 Temperature distribution of outlet airflow and temperature difference change of temperature field under different wind speed conditions

        4.3 模擬高度對溫度場均勻性影響

        設計了5 個不同的模擬高度工況研究其對溫度場均勻性的影響,高度大小見圖4,其余條件相同。由圖4 可知,在模擬高度逐漸增大的情況下,換熱器出口溫度降低,其出口最高溫度和最低溫度的差值變大。模擬高度增大會導致空氣側的壓力下降,引起空氣的導熱系數、密度和熱容下降。導熱系數下降導致對流換熱系數與換熱器換熱量由2 180 kW 降低至1 190 kW,而密度和熱容的下降則導致在換熱量變小的情況下?lián)Q熱器進出口溫差變大。

        圖4 不同試驗高度工況出口氣流溫度分布及溫差變化Fig.4 Temperature distribution and temperature difference change of outlet airflow under different test altitude conditions

        4.4 換熱器入口氣流溫度對溫度場均勻性影響

        設計了5 個不同的換熱器入口氣流溫度工況研究其對溫度場均勻性的影響,換熱器入口溫度大小見圖5,其余條件相同。由圖5 可知,在換熱器入口溫度逐漸變小的情況下,進出口溫降變小,空氣與氨液換熱溫差變小,換熱器出口氣流溫度場差異隨之減小。相比氣流速度和試驗模擬高度,換熱器進口氣流溫度對其出口溫度均勻性的影響較小。

        圖5 不同進口氣流溫度工況下出口溫度分布及溫差變化Fig.5 Outlet temperature distribution and temperature difference change under different inlet air temperature conditions

        5 氣流場溫度均勻性調節(jié)

        各模塊管內氨液蒸發(fā)壓力和流量的差異是導致氣流場溫度不均勻的主要因素。為了改善溫度場均勻性,可以調節(jié)回氣閥開度,使得各模塊蒸發(fā)壓力差異減小,或者調低進液閥門開度使換熱器頂部模塊的流量小于底部模塊流量,通過管內換熱系數調節(jié)彌補換熱溫差的差異,從而實現(xiàn)對溫度場均勻性的控制。表5 設計了3 個工況進行氣流場溫度均勻性調節(jié)研究。原工況中進液閥開度均為5%,回氣閥開度均為100%。在此基礎上將進液閥開度從上至下4 個模塊分別調整為20%,15%,5% 和1%,將回氣閥開度從上至下調整為1%,5%,60%,100%,對換熱器后氣流場溫度均勻性進行調節(jié)。

        表5 氣流場溫度均勻性調節(jié)計算工況表Table 5 Airflow field temperature uniformity adjustment calculation condition table

        圖6 的仿真結果表明換熱器出口溫度場均勻性得到改善。主要原因是頂部模塊管內飽和壓力提高使得氨液蒸發(fā)溫度差異減小以及頂部模塊氨液流量減小使得管內兩相換熱系數降低,兩者共同影響改善了氣流場溫度均勻性。

        圖6 3 種工況下?lián)Q熱器出口氣流場溫度變化Fig.6 Temperature change of airflow field at outlet of heat exchanger under three working conditions

        6 結 論

        本研究針對大型結冰風洞換熱器建立一維流動換熱仿真模型,仿真結果與試驗數據對比驗證了模型的準確性。研究了換熱器單元高度、入口風速、試驗高度以及入口溫度對換熱器出口溫度場均勻性的影響,并提出了溫度均勻性調節(jié)方案,得出以下結論:

        (1)換熱器的高度落差會造成入口過冷度和蒸發(fā)壓力差異以及氨液流量分配不均勻,導致?lián)Q熱器后氣流溫度由上至下逐漸升高。隨著試驗氣流溫度的降低,靜壓差造成的蒸發(fā)溫度差異增大,換熱器出口氣流溫度場均勻性變差。

        (2)換熱器入口氣流速度和試驗模擬高度對其出口氣流場溫度均勻性影響顯著:隨著氣流速度減小和試驗模擬高度的升高,換熱器后氣流場溫度最大溫差增大;換熱器入口溫度對其出口氣流場溫度均勻性影響較小。

        (3)對進液閥-換熱器-回氣閥系統(tǒng)中的閥門開度進行調節(jié),通過改變不同模塊氨液流量和回氣閥壓降以減小靜壓差導致的蒸發(fā)壓力差異,可改善換熱器出口氣流場溫度均勻性。

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