竖直通道内烟气驱动空气自然对流换热数值模拟

任嘉友 王子云 高 原 付 召 齐润生 吴玉玲

竖直通道内烟气驱动空气自然对流换热数值模拟

任嘉友 王子云 高 原 付 召 齐润生 吴玉玲

（四川大学建筑与环境学院 成都 610065）

采用数值模拟和无量纲分析方法，对烟气驱动空气自然对流换热装置的流动、换热情况进行研究。结果表明：（1）随着空气通道瑞利数的增加，烟气通道换热边界层变薄，空气通道换热边界层变厚；（2）换热量随烟气通道入口温度增大而增大，同时，随着烟气通道入口流速增大，换热量的增加显著；（3）无量纲烟气通道入口流速为0.93时，随着烟气通道入口温度的增大，烟气通道内的回流区从无到有，且宽度逐渐增大，对传热过程的不利影响作用更强。因此，通过增大烟气通道入口流速，能明显减小烟气通道内回流区宽度，增强自然对流强换热效果。

烟气；自然对流换热；余热；数值模拟；无量纲分析

0 引言

随着我国节能减排步伐的加快，工业余热的利用显得尤为重要。目前，我国正处于工业化中后期，工业能耗约占社会能耗的70%[1]，其中烟气余热占工业余热资源总量的50%以上，广泛分布于各个工业行业，烟气余热利用潜力大[2]。

将烟气作为自然对流换热过程的驱动热源，为排烟气的建筑或者临近区域建筑提供自然通风，将会提高能源利用效率，降低烟气对环境的热污染。同时，能为建筑提供无风机能耗的新风及热量，营造良好的室内环境。一般情况下，烟气排放都是在竖直方向排放的，因此考虑在竖直矩形排烟通道外侧套一个竖直矩形空气通道，以烟气余热为热源，驱动空气自然对流。国内外有大量学者对侧壁加热竖直通道的空气自然对流及其传热过程进行试验或数值模拟研究。D Roeleveld[3]利用可视化技术和激光干涉测试法对在非对称等温加热竖直通道内的反浮力进行研究，结果表明，这种反浮力可能导致通道内的流动不稳定。Assunta Andreozzi等[4]采用实验方法研究了竖直通道中心线位置的非加热辅助平板对通道内辐射换热和自然对流换热影响效果。研究结果表明，在高热流量和高瑞利数下，辅助平板位于通道出口时，最大通道壁温为最低值。Shwin-Chung Wong[5]等采用有拓展计算域和无拓展计算域的数值模拟方法对二维竖直等温平板阵通道列进行研究，结果表明：（1）在内羽流区域具有较强的附加热羽流浮力；（2）通道外部具有较高的入口分离阻力，平板通道阵列整体的传热系数随着平板通道数量的增加而增加，传统的对于多平板通道阵列具有相似传热性能的假设需要修正。

上述研究是针对恒定热源的竖直通道自然对流的换热及流动状态进行研究，在实际工程中，竖直通道壁面的热源可能为不稳定热源，或者不均匀热源。本文研究对象为竖直通道在高温烟气通道加热下的空气通道换热性能，其热源不均匀。采用数值模拟及无量纲分析方法来研究不同烟气对空气自然对流的驱动效果及换热情况。

1 数学及物理模型

1.1 物理模型及基本假设

换热通道俯视图见图1，内侧为矩形烟气通道，外侧为矩形空气通道，空气通道内、外侧管壁均为不锈钢材。高温烟气向上流动，将热量由管壁传入空气通道，使空气产生向上的自然对流。为节省模拟计算时间，取图1中1-1剖面，且由于该剖面对称，取一半进行计算，利用Gambit 2.4[6]创建几何模型并划分网格。换热通道简化模型见图2，换热通道简化模型几何尺寸见表1。

对模型做如下假定和说明：

（1）烟气与空气温差较大，选用不可压缩理想气体模型进行自然对流计算[7]；

（2）流体在通道壁面上为无滑移边界条件；

（3）换热量及空气质量流量的计算以换热通道俯视图长度方向上单位长度（1m）对应的体积流量进行计算。

图1 换热通道俯视图

图2 换热通道简化模型

表1 换热通道简化模型几何尺寸

1.2 守恒方程

不可压缩连续流动控制方程如下：

表2 φ、Γ、S对应参数

无量纲数：

引入无量纲量：

1.3 边界条件

左侧点画线设为symmetry类型，中间管壁两侧为耦合壁面，右管壁内侧设为耦合壁面，外侧设为绝热壁面。烟气通道进、出口分别设为速度入口、压力出口；空气通道进、出口分别设为压力入口、压力出口；si=19，ai=0；烟气通道及空气通道内部的壁面发射率为0.05，外壁面考虑为绝热，因此不需要考虑壁面发射率。

1.4 网格划分及离散求解方法

采用结构化网格来划分模型，对管壁及其附近网格进行加密，网格数为118000，换热通道简化模型网格见图3。采用SIMPLEC算法；采用有限容积法对控制方程进行离散，湍流模型选用标准-模型，并考虑增强壁面的处理方法[8]，全浮力效果，辐射模型选用Do模型；动量、湍流动能、湍流扩散率、能量方程、Discrete Ordinates均采用二阶迎风格式，并选用合适的亚松弛因子。

图3 换热通道简化模型网格

2 不同Ra下的温度分布

图4 不同Ra下的温度分布图

如图4所示，在低时，烟气通道内的换热边界层较厚，且烟气通道出口存在回流区，两者均对传热有不利影响。而较高下，烟气通道换热边界层较薄，出口回流区消失，对传热过程有正面影响，同时，烟气通道与空气通道之间的管壁温度有明显升高，其与空气通道外侧管壁辐射换热增强。此外，较高下，空气通道换热边界层也略微增大。

3 Nu、空气无因次体积流量与Ra的关系

图5为随的变化图，随着增加也增大，这是由于烟气通道侧的换热边界层变薄，导致换热增强，同时由于换热间壁温度增加，辐射换热强度也增加。而随着的增加率却略有降低，由于增加，空气通道内的换热边界层厚度逐渐增大，对整体换热过程有一定的削弱作用。图6为空气无因次体积流量a*随的变化情况，随着的增加，空气无因次体积流量a*逐渐增大，变化情况接近线性变化。

图5 Nu随Ra变化图

图6 空气无因次体积流量随Ra变化图

4 换热量与烟气温度变化关系

图7 换热量随θsi变化图

图8 不同θsi下烟气通道回流区宽度

5 结论

（1）随着增加，烟气通道换热边界层变薄，空气通道换热边界层变厚；

[1] 冯惠生,徐菲菲,刘叶凤,等.工业过程余热回收利用技术研究进展[J].化学工业与工程,2012,20(1):57-63.

[2] 连红奎,李艳,束光阳子,等.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术,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] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2005:160-172.

[7] 宋姗姗,郭雪岩.Boussinesq近似与封闭腔体内自然对流的数值模拟[J].力学季刊,2012,33(1):60-67.

[8] 张兆顺,崔桂香,许晓春,等.湍流理论与模拟(第2版)[M].北京:清华大学出版社,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，硕士，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