复合式波纹板传热与阻力特性数值研究

张 磊，杜 娟，白文刚，高 炜，吴帅帅



复合式波纹板传热与阻力特性数值研究

张 磊1，杜 娟2，白文刚1，高 炜1，吴帅帅1

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100）

DN（double notched）型波纹板传热元件在回转式空气预热器中应用广泛，为了揭示DN板波纹通道内的微观流动形态和强化传热机理，本文采用LBKE（Lam and Bremhorst k-ε model）湍流模型和计算流体动力学（CFD）数值模拟技术对DN板的传热、阻力特性展开研究，预测DN板的传热和阻力系数，分析DN板通道内的流场和温度场。模拟计算发现：DN板通道内的流动可分为波纹通道流动和平直通道流动两大类；DN板斜波纹段、凹槽段迎风面努塞尔数（Nu）较大，背风面Nu较小；Nu随着雷诺数（Re）的增大而增大，DN板上的Nu分布随着Re的增大而更趋均匀；增加DN板上斜波纹结构比例可提升其传热能力，但阻力损失也会相应增加；DN板在中等Re水平（Re≈5 000）下运行时效果最佳，此时既能保证DN板上Nu均匀分布又控制了阻力损失大小。

回转式空气预热器；DN板；波纹板；数值模拟；传热；阻力系数

回转式空气预热器（空预器）属于再生式空预器的一种，具有结构紧凑、安装检修方便、运行费用低、占地面积小等诸多优点，是电站锅炉不可缺少的组成部分[1-2]。回转式空预器利用锅炉排烟的低品位余热加热入炉空气，能够改善炉膛内着火条件和燃烧过程，并提高锅炉热效率。

传热芯体是回转式空预器的核心部件，承担着存储、传递热量的作用。回转式空预器的传热芯体一般由波纹板传热元件堆叠装配而成。当回转式空预器运行时，圆盘状的传热芯体连续旋转，交替地与热烟气和冷空气进行接触换热。当烟气与传热芯体接触时，烟气携带的热量传递给芯体中的波纹板传热元件并蓄积起来；当空气与传热芯体接触时，芯体中波纹板传热元件所蓄积的热量又被传递给空气。传热芯体旋转时被周期性地加热和冷却，热量就周期性地由烟气传递给空气[3]。

品质优良的回转式空预器应该具备以下特点：高效传热、低压损、易吹灰和便于进行故障探测。为了满足这些要求，需要对波纹板传热元件结构进行细致的研究和设计[4]。回转式空预器波纹板传热元件一般由金属平薄板压制成波纹形状，大量波纹板紧密堆叠，板片间隙构成了工质流动的波纹通道。波纹板通过特殊设计的壁面波纹形状可诱发二次流动、增强流体混合，进而强化传热。回转式空预器中常用的典型波纹板型包括DN（double notched）板、CC（cross corrugated）板、CU（corrugated undulated）板和DU（double undulated）板等[5-9]。

国外DN板的研发、制造技术经过长期积累已趋成熟，但由于技术保密的原因，相关研究的公开报道十分稀少。由于无法借鉴国外的先进技术经验，加之DN板波纹通道具有结构复杂、小尺度的特点，使得国内DN板型相关研究工作进展缓慢。对此，本文采用有限容积法对DN板通道内的流动、传热过程进行三维数值模拟研究，揭示DN板通道内的微观流动形态和强化传热机理。本文的研究有望为DN型复合式波纹板传热元件的自主研发提供技术支持。

1 DN型波纹板

DN板由多种波纹结构复合而成，包括凹槽段、斜波纹段以及平直段3种结构，其结构示意如图1所示。图1中凹槽段波纹形线为近似正弦波，凹槽方向与主流方向平行。斜波纹段波纹形线为近似三角波，斜波纹与主流方向夹角为，斜波纹段位于相邻凹槽段之间。平直段为平直板片，位于相邻斜波纹段之间。复合式波纹板的特殊设计结构使得DN板具有传热高效、故障探测灵敏、成本低等优点，这些优良特性使DN板成为回转式空预器中应用最广的一种传热元件。

2 计算区域及网格划分

2.1 计算区域

考虑到回转式空预器DN板传热芯体结构在、、方向上周期性重复变化的特点，为了节省计算资源和计算时间，确定了具有代表性的最小单元作为计算区域，该区域为方向上3块DN板间的2个波纹通道，计算区域宽度（方向）等于一个波长（140 mm），计算区域长度（方向）为145 mm，计算区域如图1所示。

2.2 网格划分

针对不规则形状的DN板通道，本文采用GAMBIT软件中的非结构化Tet/Hybrid网格对计算区域进行离散化处理，并在壁面附近实施了局部加密。经过网格无关性验证，本文最终的计算网格数为1 396 578个。DN板网格划分如图2所示。

图2 DN板网格划分

3 数学模型及求解策略

3.1 数学模型

描述回转式空预器DN板通道内流动传热过程的雷诺时均控制方程包括质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程：

需要引入湍流模型才能实现上述控制方程组的封闭求解。Patel等人[10]采用不同的湍流模型预测通道内受限湍流流动过程，发现Lam和Bremhorst[11]提出的低雷诺数-（LBKE）模型计算精度最高。Ciofalo等人[12]在数值研究CC通道内湍流流动传热过程时发现，LBKE模型在所选用的5种湍流模型中计算偏差最小。考虑到DN与CC板结构的相似性，本文借鉴上述研究成果采用LBKE湍流模型计算DN板通道内湍流流动过程。LBKE湍流模型的表达式为[11]：

式中：t为湍流黏性系数，kg/(m·s)；为湍流动能，J/kg；为湍动能耗散率；为密度，kg/m3；为时间，s；u、u为速度分量，m/s；x、x为直角坐标分量，m；为流体黏性系数，kg/(m·s)；m、m、k、s、1、1、2、2为模型系数。

3.2 求解策略

本文利用Fluent软件求解控制方程组并完成计算数据的后处理工作。求解策略为：

1）计算中忽略DN板片导热热阻、不考虑沾污的影响；

2）工质为空气，其物性参数均拟合为关于温度的二次多项式；

3）边界条件为速度入口、压力出口、左右侧面周期性边界、壁面无滑移、恒壁温；

4）压力-速度耦合解法为SIMPLEC，对流项离散格式为QUICK，扩散项采用中心差分格式。

4 计算结果及讨论

4.1 模型验证

为了说明本文数值模拟方法的准确性，首先将模拟结果与文献[13]中的DN板通道实测数据进行了比较。图3汇总比较了数值计算和瞬态实验得到的DN板通道传热系数因子和阻力系数。由图3可见，本文数值模拟得到的和值计算偏差分别为 –9.25%~11.38%、–17.46%~13.99%，计算结果和实验数据较为接近，验证了本文数值模拟方法的可靠性和准确性。

图3 DN板通道模拟与实验j和f值

4.2 速度场和温度场

选择DN板通道内4个代表性截面-、-、-和-（图1c)），其中截面-、-垂直于轴，截面-垂直于斜波纹，截面-垂直于主流方向。截面-、-的速度矢量分布和温度场模拟结果如图4—图6所示。为了更清晰地展示流动形态，速度矢量图为局部放大后的结果。

图4 N-N截面速度矢量分布

由图4可见：-截面内不同对应的速度场均呈现出从左向右的整体流动趋势；未发现如Ciofalo等人[12]、Zhang等人[14]在CC波纹通道中发现的涡流形态。这是由于DN板和CC板的结构差异造成的，虽然DN板上也设有类似CC板的交错斜波纹，但DN板上的斜波纹被尺寸更大的凹槽隔开而未能与相邻的交错斜波纹形成紧密有效接触，大幅减弱了DN板通道内交错流体间的相互作用，从而不足以诱发涡流形态。由于缺少涡流形态，DN板通道内的流体混合、边界层扰动效果比CC板通道显著减弱，导致DN板的传热系数、阻力系数均小于CC板，这与文献[13]中的实验结果一致。

图5 O-O截面速度矢量分布

图6 O-O截面温度场示意

由图5可见：-截面凹槽段二次流动几乎不可见，凹槽段内流动与平直通道内流动相近，流股间的相互剪切作用很小；斜波纹段二次流动剧烈，斜波纹段中交错流体间的相互剪切作用促进了相邻板片斜波纹通道内流体的相互迁移、混合，进而强化了传热。

由图6可见：随着增大，DN板通道近壁区的热边界层逐渐变薄，传热强度逐渐增大；不同对应的工质温度分布特征相近，均为斜波纹段温度高，凹槽段温度低。如前文所述，斜波纹段传热能力比凹槽段更优，工质在斜波纹段从DN板壁吸收的热量更多，故而温度也更高。

-和-截面上的速度矢量分布、温度场示意如图7、图8所示。图7、图8中计算工况对应的工质主流方向为从左向右。由图7、图8可见：-截面流动具有典型的波纹通道流动特征，工质流经该截面时对迎风面施加周期性冲刷，所以此处的边界层较薄，传热强度较高；-截面流动则与平直通道内流动相近，对边界层的扰动效果较差；-截面热边界层比-截面的薄。

图7 L-L和M-M截面速度矢量分布

图8 L-L和M-M截面温度示意

4.3 努塞尔数（Nu）分布

图9展示了计算域底部DN板上的努塞尔数（）分布情况，图9中颜色由深到浅对应值由低到高。由图9可见：斜波纹和凹槽迎风面上值较高，强化传热效果明显，这是流体对壁面的冲刷作用造成的；斜波纹和凹槽背风面以及DN板间接触部位的值则较低；DN板上分布随的增大而趋于均匀。Gaiser和Kottke[15]在对CC板的实验研究中也发现了相似的分布现象。

图9 DN板上Nu分布

为了深入分析对分布的影响，计算了沿DN板宽度方向（图1中轴）的面积积分平均值分布情况，结果如图10所示。图10中将数值计算区域沿轴等分为20份，每份的面积积分平均努赛尔数为Nu，20个Nu中的最大值即为max。由图10可见：值随增大而增大，且趋于均匀；随增大，DN板通道强化传热中心从凹槽段向斜波纹段转移。较小（≤1 381）时，曲线中部（=9~13，凹槽段）出现波峰，凹槽段传热系数高于两侧斜波纹段，此时DN板通道中为层流流态，凹槽段流动阻力比斜波纹段小，流量较大，所以凹槽段传热系数更高。随着的增大（≥3 288），斜波纹段强化传热效果逐渐显现，其传热系数逐渐接近凹槽段，当增至3 288时斜波纹段平均传热系数几乎与凹槽段传热系数峰值持平，当进一步增至5 252时甚至超过了后者。基于上述结果，建议将DN板运行工况控制在合适的雷诺数范围内，这样既限制了流动损失又使DN板上的传热系数均匀分布，提高了DN板的利用率和使用寿命。

图10 Re对Nu分布的影响

5 结 论

1）本文采用有限容积法和LBKE湍流模型，对回转式空预器DN板通道内空气的流动传热过程进行了三维数值模拟研究。研究发现LBKE湍流模型可准确反映DN板通道内流动传热过程。

2）DN板通道内交错流体间的相互作用大为减弱，不足以诱发涡流形态，DN板通道流场中并未发现涡流结构。DN板通道内流动包含波纹通道流动和平直通道流动，其中前者的强化传热效果明显，对整体传热贡献更大。

3）DN板通道斜波纹和凹槽的迎风面值较高，斜波纹和凹槽的背风面及DN板间接触部位值较低。随增大而增大，分布随增大而更趋均匀。

4）建议DN板在约为5 000的条件下运行，这样既能保证DN板上均匀分布又控制了阻力损失。

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Numerical investigation on heat transfer and resistance characteristics of composite corrugated plate

ZHANG Lei1, DU Juan2, BAI Wengang1, GAO Wei1, WU Shuaishuai1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

The double notched (DN) type corrugated plate heat transfer element is commonly used in rotary air preheaters. To reveal the micro-flow morphology and strengthening heat transfer mechanism in the corrugated channel of the DN plate, the LBKE (Lam and Bremhorst k-ε model) turbulence model and CFD numerical simulation technology are applied to investigate the heat transfer and flow resistance characteristics of the DN plate, including predicting the heat transfer and flow resistance coefficient, and analyzing the flow field and temperature field inside the channel of the DN plate. The results show that, two types of flow are observed in the predicted velocity fields, wavy channel flow and pipe flow. The Nusselt number Nu in upwind surface of the DN plate is larger while that at the leeward side is lower. As the Reynolds number Re increases, the Nu increases and its distribution on the DN plate becomes more uniform. Increasing the proportion of the corrugated structure can enhance the heat transfer capacity of the DN plate, but will also increase the resistance loss simultaneously. It suggests that the DN plate operate at moderate Re values (≈5 000), to obtain the best effect and ensure the uniform distribution of Nu and control the resistance loss.

rotary air preheater, DN plate, corrugated plate, numerical simulation, heat transfer, friction factor

TK124

A

10.19666/j.rlfd.201810199

张磊, 杜娟, 白文刚, 等. 复合式波纹板传热与阻力特性数值研究[J]. 热力发电, 2019, 48(5): 44-48. ZHANG Lei, DU Juan, BAI Wengang, et al. Numerical investigation on heat transfer and resistance characteristics of composite corrugated plate[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 44-48.

2018-10-31

张磊(1982—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为强化传热、换热器优化设计，zhangleix@tpri.com.cn。

（责任编辑 杨嘉蕾）