吳延龍，謝文棋，俞建陽，謝維瀟

（1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

天地往返技術(shù)使得可重復(fù)使用航天器在完成空間任務(wù)后能安全返回地球，實現(xiàn)往返于空間與地球表面的多次循環(huán)利用。微型燃氣輪機憑借其緊湊尺寸、輕量化設(shè)計和高效能表現(xiàn)，在天地往返任務(wù)中具有極佳的應(yīng)用前景。

在保持微型燃氣輪機整體部件基本不變的前提下，回?zé)崞鞯膽?yīng)用有助于進一步提升燃氣輪機的熱力循環(huán)效率。這將優(yōu)化航天器在臨近空間環(huán)境中的能源利用，進而提高天地往返任務(wù)的效率與可靠性。目前常見的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)有板翅型回?zé)崞?、管式回?zé)崞骱驮砻嫘突責(zé)崞?，其中原表面回?zé)崞髟谏a(chǎn)工藝的成熟性及換熱性能等方面表現(xiàn)更優(yōu)[1]。CW型原表面回?zé)崞鞯睦錈醾?cè)工質(zhì)分別為空氣和燃氣，燃氣經(jīng)金屬隔板預(yù)熱壓氣機空氣；回?zé)崞鞑捎?80°相位差波紋板堆疊，以增強流體運動擾動、提高換熱效能[2]。針對CW 型原表面回?zé)崞鏖_展其最佳工作狀態(tài)點性能研究，對促進其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要作用。

本文以CW 型原表面回?zé)崞鱗2]為對象，采用數(shù)值計算方法，通過調(diào)整進口參數(shù)（雷諾數(shù)、溫度）來研究回?zé)崞鞒隹诮孛鏈囟葓?、速度場的變化?guī)律，探討提高回?zé)崞鲹Q熱效能的方法，確定多個優(yōu)良工作點；并通過熵產(chǎn)分析對比各工作點，得出回?zé)崞髯罴压ぷ鳡顟B(tài)點。

1 數(shù)值計算方法

本節(jié)闡述有關(guān)數(shù)值計算方法的技術(shù)基礎(chǔ)，包括模型構(gòu)建，周期性邊界條件、參數(shù)定義，以及網(wǎng)格劃分方法。

1.1 模型構(gòu)建

回?zé)崞鲉卧w的精確描述對研究溫度場與速度場分布至關(guān)重要。CW 原表面回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬整個結(jié)構(gòu)會耗費大量計算資源，故受計算局限，數(shù)值計算中常選用簡化的CW 型通道，以對流換熱單元體為主研究對象。建立回?zé)崞鲙缀文Ｐ腿鐖D1 所示，流動方位上波紋曲線節(jié)距為P、寬度為H、長度為L、波幅為A[3]。

圖1 回?zé)崞鲙缀文Ｐ虵ig.1 Geometric model of the regenerator

環(huán)形CW 回?zé)崞鲀?nèi)部具有復(fù)雜的空氣和燃氣通道，導(dǎo)致模擬困難?？紤]燃氣和空氣輸入端對傳熱特性影響較小，可通過多個重復(fù)CW 管道單元模擬回?zé)崞鱾鳠崽匦訹4]。因此，構(gòu)建包含重復(fù)單元的空氣和燃氣流道三維數(shù)值模型，并將空氣和燃氣通道壁厚設(shè)為傳熱板厚的0.5 倍，使外部空氣切割形成的固體區(qū)域呈周期性[5]。主流方向上，給定速度周期性邊界和溫度周期性邊界，如圖2 所示，其進出口截面間的關(guān)系為[6]：

圖2 周期性邊界條件Fig.2 Periodic boundary conditions

式中：uin(x,y,z)和Tin(x,y,z)分別為流體進口截面某處的速度和溫度；Tb(z)為進口截面平均溫度；uout(x,y,z+L)和Tout(x,y,z+L)分別為流體出口截面某處的速度和溫度；Tb(z+L)為出口截面平均溫度；Tw為換熱壁面溫度。

另外，把中間界面劃分為4 個區(qū)域（F1a、F1b、F2a、F2b），并對其相同形狀的中間截面施加周期性邊界條件。而分割后每個部位的流動速度和溫度應(yīng)當(dāng)符合下列要求[7]：

式 中：uF1a、uF2a、uF1b、uF2b分 別 為 面F1a、F1b、F2a、F2b上 的 速 度，m/s；TF1a、TF2a、TF1b、TF2b分 別 為 面F1a、F1b、F2a、F2b上的溫度，K。

因CW 型流動通道特殊且復(fù)雜，需做如下假設(shè)：物性隨溫度變化；除輸入、流出外，無物質(zhì)和熱量交換；總質(zhì)量流量在橫截面上恒定；換熱單元內(nèi)已穩(wěn)態(tài)，無須初始條件；忽略壁面厚度及質(zhì)量[8]。針對本文所研究的換熱單元，設(shè)壁面邊界條件為無物質(zhì)交換，給定具體溫度；設(shè)進口邊界條件為質(zhì)量流量進口，通過調(diào)整質(zhì)量流量改變雷諾數(shù)，給定進口溫度測定物性參數(shù)；設(shè)出口邊界條件為壓力出口，與大氣環(huán)境溫度、壓力相同[9]。

1.2 參數(shù)定義

為了評估回?zé)崞鞯膫鳠嵝阅埽瑢τ谧钚〉臒峤粨Q單元——回?zé)崞鞯膯瓮ǖ懒鲃幽Ｐ?，本?jié)定義了如下流動和熱交換參數(shù)[10]。

當(dāng)量直徑De=4Ai/Si，其中：Ai為單元進（出）口截面面積，mm2；Si為截面周長，mm。

雷諾數(shù)Re=(ρ·Uav·De)/μ，其中：ρ為流體密度，kg·m-3；Uav為流體在垂直截面方向上的平均速度，m/s；μ為流體的動力黏度，Pa·s。

質(zhì)量流量q=(Re·μ·Ai)/De。

換熱系數(shù)h=Q/(ΔT·Aw)，其中：Q為換熱量，W；ΔT為流體與壁面的對數(shù)平均溫差[11]，ΔT=(ΔTmax-ΔTmin)/[ln(ΔTmax/ΔTmin)]，ΔTmax和ΔTmin分別為進口溫差和出口溫差的最大值與最小值，K；Aw為換熱面積，mm2。

表征流體與壁面換熱能力的努塞爾數(shù)Nu=(h·De)/λf，其中λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

科爾伯恩換熱系數(shù)j=Nu/(Re·Pr0.5)，其中Pr為流體普朗特數(shù)。

進出口壓力降ΔP=Pin-Pout，其中Pin和Pout分別為進口和出口靜壓，Pa。

表征流體壓力損失的范寧摩擦系數(shù)f=(ΔP·De)/(0.5ρ·L·Uav2)。面優(yōu)度系數(shù)Ga（area goodness factor）是換熱系數(shù)j和摩擦系數(shù)f的比值，Ga=j/f，該值越大，換熱器的表面特性越好[12]。

傳熱熵產(chǎn)率[13]

其中λeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)（等于導(dǎo)熱系數(shù)λ和湍流熱導(dǎo)率cpμt/σt之和）。

1.3 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

本文利用GAMBIT 軟件分析網(wǎng)格并驗證網(wǎng)格獨立性。通過8 組網(wǎng)格數(shù)，研究努塞爾數(shù)Nu與摩擦系數(shù)f隨網(wǎng)格數(shù)目變化關(guān)系，見圖3。可以看到，隨網(wǎng)格總量的增加，Nu和f逐漸增長，網(wǎng)格總量超過19 萬后增長速度趨緩，故認(rèn)為超過19 萬的網(wǎng)格數(shù)可滿足數(shù)值模擬條件。為節(jié)約運算成本并保證效果，規(guī)劃網(wǎng)格時可將換熱單元體網(wǎng)格數(shù)限制在19 萬左右。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.3 Grid independence verification

2 冷熱側(cè)進口參數(shù)對換熱單元體性能影響研究

CW 型原表面回?zé)崞饕愿呔o湊度為特點，流體在流道中不斷旋轉(zhuǎn)并伴隨二次流，從而實現(xiàn)優(yōu)越的換熱性能。冷熱側(cè)不同進口參數(shù)是影響換熱單元體性能的主要因素，因此，本文依據(jù)數(shù)值計算模型，深入研究主要進口參數(shù)（雷諾數(shù)和溫度）對換熱單元體性能的影響規(guī)律[15]，探討雷諾數(shù)在100～2000 范圍內(nèi)的換熱單元體內(nèi)部流動和換熱情況，分析不同雷諾數(shù)下的溫度場和速度場分布。

2.1 雷諾數(shù)對換熱單元體性能的影響

2.1.1 對溫度場的影響

圖4 為不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱單元出口截面的溫度分布，空氣和燃氣側(cè)進口溫度分別為455.7 K 和819.12 K。由圖可見，空氣與燃氣通道[16]出口截面的溫度均為上下側(cè)呈反對稱分布，空氣通道截面溫度外圍高于中央，燃氣通道中央高于外圍。這是因為流體在彎曲流道中沖擊側(cè)壁，形成較薄的邊界層，換熱效果提高；而未受沖擊的側(cè)壁流速較低，邊界層較厚，換熱效果較差。隨著雷諾數(shù)的增大，空氣和燃氣通道溫度分布均變得不規(guī)則。這是因為在低雷諾數(shù)下，流動較穩(wěn)定，換熱較均勻，截面溫度逐漸降低；雷諾數(shù)增大時，流動復(fù)雜，空氣側(cè)低溫區(qū)擴展，導(dǎo)致截面平均溫度降低，而燃氣側(cè)高溫區(qū)同樣擴展，導(dǎo)致截面平均溫度升高。

圖4 不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱單元出口截面溫度分布Fig.4 Temperature distributions at outlet section of the heat transfer unit under different Reynolds numbers

2.1.2 對速度場的影響

圖5 為不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱單元出口截面的速度分布?？梢钥吹?，隨著雷諾數(shù)的增大，空氣與燃氣通道的出口速度均增大，形成不同大小的二次流動，如頂部渦和中心渦，上下側(cè)呈反對稱分布。雷諾數(shù)接近800 時，中心渦分裂，速度分布更復(fù)雜。當(dāng)雷諾數(shù)超過1500，上下端部分出現(xiàn)小型流動渦，流線更密集[17]。隨著雷諾數(shù)增大，中心渦面積擴大，對內(nèi)部流場影響增大，導(dǎo)致端部流速快而中心渦速度較慢。這是由于流體與渦心質(zhì)量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生擾動，引發(fā)渦旋；雷諾數(shù)越大，擾動越強，對速度場的影響越大[18]。

圖5 不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱單元出口截面速度分布Fig.5 Velocity distributions at outlet section of the heat transfer unit under different Reynolds numbers

2.1.3 對換熱和阻力特性影響的綜合分析

圖6 為雷諾數(shù)對換熱單元流動換熱特性的影響曲線[15]，并給出本文數(shù)值模擬結(jié)果與文獻[15]結(jié)果的比較?？梢钥吹?，本文模擬結(jié)果雖然與文獻結(jié)果存在差異，但平均偏差只有7.8%，表明本文數(shù)值模擬結(jié)果具有參考價值。且本文在文獻[15]的基礎(chǔ)上，將雷諾數(shù)變化范圍拓展為100～2000 進行了數(shù)值模擬（見圖7）。由圖7(a)曲線可知，努塞爾數(shù)Nu的總體平均值隨著雷諾數(shù)的增大而上升。這是因為流體沿通道流動速度加快，導(dǎo)致二次流增強，而Nu代表氣體對流熱量與傳導(dǎo)熱能之比，所以對流越強，Nu越高[19]。由圖7(b)曲線可知，隨著雷諾數(shù)的增大，傳熱系數(shù)j逐步降低：雷諾數(shù)在100～600范圍時，j的降低速度較快；而當(dāng)雷諾數(shù)大于600 時，j的降低速度減緩。從曲線綜合分析可知，雷諾數(shù)越大，流動情況越復(fù)雜，換熱效果越差。由圖7(c)曲線可知，摩擦系數(shù)f隨著雷諾數(shù)的增大而減小。這是由于隨著雷諾數(shù)的增大，流體沿通道運動方向變得更劇烈，湍流程度逐漸增加，同時壓降也逐漸變大，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小[20]。

圖6 雷諾數(shù)對回?zé)崞髁鲃訐Q熱特性影響曲線（本文數(shù)值模擬結(jié)果與文獻[15]結(jié)果對比）Fig.6 Curve of flow heat transfer of regenerator against Reynolds numbers (comparison of numerical simulation results between this paper and Ref.[15])

圖7 雷諾數(shù)對回?zé)崞髁鲃訐Q熱特性影響曲線（本文拓展雷諾數(shù)變化范圍100～2000）Fig.7 Curve of flow and heat transfer of regenerator against Reynolds numbers (Reynolds number range from 100 to 2000)

圖8 為面優(yōu)度系數(shù)Ga隨雷諾數(shù)變化關(guān)系曲線?？梢钥闯?，面優(yōu)度系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而降低。本文數(shù)值模型的最佳換熱雷諾數(shù)約為100，與參考文獻結(jié)果相似。

圖8 面優(yōu)度系數(shù)Ga 隨雷諾數(shù)變化關(guān)系曲線Fig.8 Curve of area goodness coefficient Ga against Reynolds numbers

隨著雷諾數(shù)增大，流體流動方向變得劇烈，湍流效應(yīng)加強，導(dǎo)致二次流動增強和壓降變大。盡管進口質(zhì)量流量增加且速度逐步提高，但摩擦系數(shù)減小，使得綜合換熱系數(shù)下降，回?zé)崞鞯膿Q熱性能降低[21]。

2.2 進口溫度對換熱單元體性能的影響

2.2.1 對溫度場的影響

以實驗數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬基礎(chǔ)，通過控制雷諾數(shù)不變，僅改變冷熱側(cè)進口溫度，研究進口溫度對換熱單元體溫度場的影響，結(jié)果見表1 及圖9。表1中設(shè)置了10 組冷熱側(cè)進口溫度，依次編序為T1～T10。從圖9 可見，冷熱側(cè)進口溫度降低時，燃氣和空氣通道出口截面平均溫度降低，空氣通道截面中央藍色低溫區(qū)域呈現(xiàn)擴散成長條狀趨勢，而燃氣通道出口截面溫度分布基本保持不變。因此，在雷諾數(shù)一定的情況下，降低進口溫度會導(dǎo)致冷熱側(cè)出口溫度降低，但溫度分布情況基本不受影響。

表1 冷熱側(cè)進出口溫度數(shù)據(jù)Table 1 Temperatures at inlet and outlet of cold and hot sides

2.2.2 對速度場的影響

圖10 為換熱單元出口速度分布隨進口溫度變化情況，可以看到：空氣側(cè)出口截面水平速度分布復(fù)雜，紅色高速區(qū)向兩端擴散，進口溫度降低時，頂部圓弧渦流逐漸消失；與之對照，燃氣側(cè)出口截面速度分布復(fù)雜，紅色高速區(qū)面積先擴大后減小，頂部渦流同樣逐漸消失。

2.2.3 對換熱和阻力特性影響的綜合分析

圖11 為冷熱側(cè)進口溫度對換熱單元流動換熱特性的影響曲線[22-23]，其中橫坐標(biāo)為表1 給定的溫度組序號（T1～T10）。由圖可見，隨進口溫度的降低，換熱系數(shù)j和摩擦系數(shù)f均減小。其原因是，在固定雷諾數(shù)下，降低溫度將減弱流體內(nèi)部擾動，降低回?zé)崞鞯膿Q熱效能及壁面換熱阻力。要全面評估進口溫度的影響，還需分析面優(yōu)度系數(shù)Ga[24]，以判斷回?zé)崞骶C合性能變化。如圖11(c)所示，當(dāng)冷熱側(cè)進口溫度降至一定值，回?zé)崞鲹Q熱效率逐漸提升，此時摩擦系數(shù)降幅較大，影響力大于換熱系數(shù)，使綜合換熱性能提升；而進一步降溫后，摩擦系數(shù)降幅減小，影響力小于換熱系數(shù)。由此可得，本文數(shù)值模型中，回?zé)崞髯罴压ぷ鳒囟确秶喝細膺M口溫度874.98～785.34 K，空氣進口溫度458.75～407.77 K。此結(jié)論可為CW 型原表面回?zé)崞髟O(shè)計與優(yōu)化提供參考。

圖11 換熱系數(shù)、摩擦系數(shù)及面優(yōu)度系數(shù)隨進口溫度變化曲線Fig.11 Heat transfer coefficient, friction coefficient and area goodness coefficient against inlet temperatures

3 CW 型通道流固耦合換熱熵產(chǎn)性能研究

回?zé)崞髯鳛楦吆哪茴I(lǐng)域的常用換熱設(shè)備，熵產(chǎn)性能研究成為對其進行評估的一種有效方法，可以比較不同回?zé)崞鳠崮芫C合利用效率并指導(dǎo)設(shè)計。分析CW 型原表面回?zé)崞鲾?shù)值模型內(nèi)部流動通道熵產(chǎn)特性，對幫助回?zé)崞鹘档蜔崮軗p失、提升換熱性具有重要意義[24]。

3.1 雷諾數(shù)對換熱單元體燃氣通道內(nèi)熵產(chǎn)率的影響

3.1.1 對傳熱熵產(chǎn)率的影響

圖12 為傳熱熵產(chǎn)率隨雷諾數(shù)變化的不同分布情況，其中燃氣通道進口溫度給定為455.7 K，空氣通道進口溫度給定為819.12 K。從圖中可以看出，空氣側(cè)和燃氣側(cè)的進口傳熱熵產(chǎn)率Sg,ΔT均為0，并沿著氣流流動方向逐步增大。這是因為進口附近的溫度梯度較小，且沿著流動方向的溫度梯度逐步增大[25]。

圖12 傳熱熵產(chǎn)率分布隨雷諾數(shù)變化情況Fig.12 Variation of heat transfer entropy yield distributions with Reynolds numbers

3.1.2 對摩擦熵產(chǎn)率的影響

圖13 為摩擦熵產(chǎn)率隨雷諾數(shù)變化的不同分布情況。從圖中可以看出：通道壁面附近的摩擦熵產(chǎn)率高于通道中心處，而且沿著流動方向逐漸減??；燃氣通道壁面附近的摩擦熵產(chǎn)率比空氣通道更高，原因在于空氣密度大于燃氣密度，且空氣流動速度遠低于燃氣流動速度[26]。隨著雷諾數(shù)增大，空氣側(cè)和燃氣側(cè)的摩擦熵產(chǎn)率Sg,ΔP均上升，通道中心的低摩擦熵產(chǎn)率區(qū)域逐漸消失，變?yōu)楦吣Σ领禺a(chǎn)率區(qū)域（Sg,ΔP＞100）。當(dāng)雷諾數(shù)大于1000，空氣側(cè)整個流道變?yōu)楦吣Σ领禺a(chǎn)率區(qū)域；燃氣側(cè)摩擦熵產(chǎn)率變化略慢，雷諾數(shù)超過1600 時，燃氣側(cè)高摩擦熵產(chǎn)區(qū)域（Sg,ΔP＞100）面積約占75%。燃氣和空氣通道中的Sg,ΔP隨雷諾數(shù)增大的變化相似，且壁面附近的變化速率高于通道中心。這是因為壁面附近的Sg,ΔP對雷諾數(shù)變化敏感，速度梯度增大導(dǎo)致Sg,ΔP上升[27]。

圖13 摩擦熵產(chǎn)率分布隨雷諾數(shù)變化情況Fig.13 Variation of friction entropy yield distributions with Reynolds numbers

3.1.3 對總熵產(chǎn)率的影響

圖14 為雷諾數(shù)對燃氣通道中Ng,ΔT、Ng,ΔP和Ng的影響。如圖14(a)所示，在雷諾數(shù)小于700 時，Ng,ΔT迅速增大；雷諾數(shù)超過700 后，Ng,ΔT的增長減緩，這歸因于熱邊界層厚度受雷諾數(shù)影響較小。另外，如圖14(b)所示，Ng,ΔP隨雷諾數(shù)增大而增大，當(dāng)雷諾數(shù)小于1000 時增速較慢，這是由于平均速度上升導(dǎo)致流道內(nèi)壓力損失和摩擦損失增大。

圖14 燃氣通道內(nèi)的熵產(chǎn)率隨雷諾數(shù)變化趨勢Fig.14 Variation trend of entropy yields in the gas channel with Reynolds numbers

當(dāng)雷諾數(shù)大于1000，湍流度增強，不可逆摩擦熵產(chǎn)增多[28]。如圖14(c)所示，由于Ng,ΔT比Ng,ΔP大1 個數(shù)量級，Ng與Ng,ΔT呈現(xiàn)相似變化趨勢，成為總熵產(chǎn)率變化的主要驅(qū)動因素[29]。

3.2 冷熱側(cè)進口溫度對換熱單元體通道內(nèi)熵產(chǎn)率的影響

3.2.1 對傳熱熵產(chǎn)率的影響

根據(jù)定義（式(5)），傳熱熵產(chǎn)率隨進口溫度降低而增大[30]。本節(jié)研究微型燃氣輪機運行時，冷熱側(cè)進口溫度變化對流動通道內(nèi)熵產(chǎn)的影響。圖15為傳熱熵產(chǎn)率Sg,ΔT隨進口溫度（具體參見表1）的變化情況。從圖中可以看出：在相同雷諾數(shù)下，空氣通道中的傳熱熵產(chǎn)率沿流動方向逐漸減小，且隨進口溫度降低而增大；當(dāng)Sg,ΔT＞8000 時，紅色區(qū)域面積擴大，表明流體內(nèi)部擾動減弱，換熱效能降低。

圖15 傳熱熵產(chǎn)率隨進口溫度變化情況Fig.15 Variation of heat transfer entropy yields with inlet temperatures

3.2.2 對摩擦熵產(chǎn)率的影響

圖16 為摩擦熵產(chǎn)率Sg,ΔP隨冷熱側(cè)進口溫度變化情況。從圖中可以看出，空氣通道內(nèi)的Sg,ΔP沿流動方向逐漸減小，且隨進口溫度降低而減小，這歸因于溫度降低以及黏性力和速度梯度的減小[31]。

圖16 摩擦熵產(chǎn)率隨進口溫度變化情況Fig.16 Variation of friction entropy yields with inlet temperatures

通過分析定義（式(6)），可知Sg,ΔP隨進口溫度降低而減小。燃氣通道的摩擦熵產(chǎn)率Sg,ΔP高于空氣通道的，或歸因于燃氣通道截面積較大、速度較慢和黏性力較大[31]。

3.2.3 對總熵產(chǎn)率的影響

圖17 為空氣通道中Ng,ΔT，Ng,ΔP和Ng隨冷熱側(cè)進口溫度的變化情況，可以看出：Ng,ΔT隨冷熱側(cè)進口溫度降低而增加，溫差和溫度梯度變大；而Ng,ΔP隨冷熱側(cè)進口溫度降低而減小。

圖17 空氣通道內(nèi)熵產(chǎn)率隨冷熱側(cè)進口溫度變化趨勢Fig.17 Variation of entropy yields in the air channel with inlet temperatures of cold and hot sides

圖18 為燃氣通道中Ng,ΔT，Ng,ΔP和Ng隨冷熱側(cè)進口溫度的變化情況，可以看到：燃氣通道中的Ng,ΔT與空氣通道中的相似，而Ng,ΔP小于空氣通道中的（因為燃氣通道的氣體流速較?。Ｈ細馔ǖ乐?，傳熱熵產(chǎn)率遠大于摩擦熵產(chǎn)率，且傳熱熵產(chǎn)率起主導(dǎo)作用，摩擦熵產(chǎn)率可忽略，因此Ng與Ng,ΔT的變化趨勢相似。

圖18 燃氣通道內(nèi)熵產(chǎn)率隨冷熱側(cè)進口溫度變化趨勢Fig.18 Variation of entropy yields in the gas channel with inlet temperatures of cold and hot sides

4 結(jié)論

本文以環(huán)形CW 型原表面回?zé)崞鞯膿Q熱單元體為研究對象，通過改變其通道的進口參數(shù)（雷諾數(shù)、溫度）來探究回?zé)崞魍ǖ懒鲃訐Q熱與熵產(chǎn)特性，從兩個角度探尋CW 型原表面回?zé)崞鞯淖罴压ぷ鳡顟B(tài)點，得到如下主要結(jié)論：

1）雷諾數(shù)的增大會導(dǎo)致回?zé)崞骼錈醾?cè)出口截面溫度的降低，同時引起出口截面流體速度的上升，從而誘導(dǎo)流道中心渦的形成，導(dǎo)致流體壓力和流道側(cè)壁間的摩擦阻力和壓力損失增大，進而導(dǎo)致回?zé)崞鲹Q熱性能下降。

2）進口溫度的降低會導(dǎo)致?lián)Q熱單元冷熱側(cè)出口截面溫度降低，同時造成出口截面流體速度下降。綜合換熱系數(shù)、摩擦系數(shù)以及面優(yōu)度系數(shù)的變化，可知回?zé)崞鞯膿Q熱性能在給定的溫度范圍內(nèi)呈先下降后上升趨勢。

3）雷諾數(shù)的增大會導(dǎo)致空氣與燃氣通道中的傳熱熵產(chǎn)率Ng,ΔT增大，摩擦熵產(chǎn)率Ng,ΔP減小；而傳熱熵產(chǎn)率Ng,ΔT在總熵產(chǎn)率Ng中的占比較大，故總熵產(chǎn)率Ng隨著雷諾數(shù)的增大而增大。結(jié)合面優(yōu)度系數(shù)分析得到本文中回?zé)崞鲾?shù)值模型的最佳換熱雷諾數(shù)為100 左右。

4）進口溫度的降低會導(dǎo)致空氣與燃氣通道中的傳熱熵產(chǎn)率Ng,ΔT增大，摩擦熵產(chǎn)率Ng,ΔP減小，繼而與隨雷諾數(shù)的變化相似，總熵產(chǎn)率Ng隨著進口溫度的降低而增大。結(jié)合面優(yōu)度系數(shù)分析得到本文中回?zé)崞鲾?shù)值模型的最佳工作狀態(tài)點的冷熱測進口溫度為燃氣進口溫度874.8 K、空氣進口溫度485.6 K 附近。

綜上，本文建立了環(huán)形CW 型原表面回?zé)崞鞯臄?shù)值模型，通過分析進口參數(shù)對回?zé)崞餍阅艿挠绊懙玫搅似渥罴压ぷ鳡顟B(tài)點。這對于優(yōu)化CW 型原表面回?zé)崞鞯脑O(shè)計，提升其在天地往返技術(shù)中的應(yīng)用價值均具有重要意義。