纵向翅片管排在隧道内自然对流换热模拟研究

2020-06-03张少雄柴永金靳璐宋梦瑶孙婷婷刘艳峰

建筑热能通风空调 2020年4期

张少雄柴永金靳璐宋梦瑶孙婷婷 * 刘艳峰

1 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

2 西安建筑科技大学建筑设计研究院

地铁隧道中产生大量废热，国内外学者尝试多种方法回收[1-5]，却效果欠佳。学者孙婷婷提出一种壁挂式、模块化、薄片型地铁隧道热回收换热器，以解决安装维修困难和热回收效率低的问题[5]，但缺少换热器管排的具体结构设计。本文以地铁隧道内特殊环境为依据，开发一种换热管排。隧道内地铁列车的运动使换热排管存在两种换热方式，即列车行进时的强迫对流和无列车时的自然对流换热。目前管排强迫对流换热研究较为成熟，缺少管排自热对流换热问题的深入研究[6-13]。因此本文通过数值模拟的方法，研究自然对流条件下管排与隧道左侧墙壁距离L 和相邻两翅片管距离S 对纵向翅片管排在隧道空间内的流动与换热的影响，为优化地铁隧道专用换热管排结构提供理论支撑。

1 数理模型及计算方法

1.1 物理模型

了解纵向翅片管管外空气侧的流动与传热特性，探讨传热强化途径，是提高地铁废热回收用换热器换热性能的基础。为了适应地铁隧道内环境，本课题将纵向翅片管作为地铁废热回收用换热器的基本换热元件。该换热排管悬挂于地铁隧道侧壁，依靠制冷剂和空气换热提取隧道内空气中的废热。该换热元件由基管和纵向翅片管组成，翅片环绕基管纵向平行分布，上下翅片竖直布置，左右两侧翅片与上下翅片呈一定倾角朝下布置。采用这种部局好处是，无论在活塞风轴向冲刷还是在自然对流时竖向流动，都不至对气流组织造成过大阻碍，从而恶化传热。计算采用的的物理模型及用到的各个参数图1 所示，模型中最外围为隧道壁面，在模型左侧壁面上部竖直布置6 根纵向翅片管，从上到下分别命名为CP1，CP2，CP3，CP4，CP5，CP6，排首基管中心距离隧道顶部墙壁距离500 mm，其余各管等间排列，距基管中心与左侧壁面相距离为L，相邻两管中心距离为S。其中，翅片单管的具体尺寸为基管直径d=25 mm，翅片高度l=20 mm，翅片厚度δ=1.0 mm，翅片倾角θ=55°。

图1 隧道内翅片管排的物理模型

1.2 网格划分及数值计算方法

网格是影响数值模拟结果的一个重要因素，合理划分的网格可以得到准确的结果。本文利用前处理软件Gambit 将该模型划分为两个区域，如图2。在翅片管排附近的区域A 内，采用Pave 四边形非结构化网格加密处理，用来捕捉边界层内温度和速度的变化。需要注意，靠近翅片管的第一层网格尺寸与翅片管基管半径的比值在1/100～1/60 之间，这样能满足网格质量的同时保证计算结果的准确性[11]。而在翅片管排之外的区域B 内，采用较为稀疏的Map 四边形结构化网格，以减小网格数量，提高计算效率，不过在靠近隧道壁面附近依然需要加密。

图2 计算区域网格划分示意图

本文利用FLUENT 16.0 对纵向翅片管外的流动与换热进行数值计算。假设模型中流体采用Boussinesq 假设，同时忽略能量方程中的黏性耗散和辐射[14]。将控制方程通过有限体积法被离散化，选择双精度压力基隐式求解器，采用层流模型。压力和速度耦合采用Coupled 算法进行求解，压力项选择体积力离散格式，动量、能量方程采用二阶迎风格式离散。选择适当的松弛因子，连续性方程的收敛标准设置为10-3，而动量方程及能量方程的收敛标准皆设置为10-6。然而，自然对流的传热模拟往往收敛速度极慢，因此，同时监测翅片管表面的平均对流换热系数，当该参数的值保留4 位有效小数位数且不随迭代步数变化时，就认为区域内的流动及换热已经达到稳定。

该计算模型中存在流固耦合，为了简化模型，忽略基管壁厚，翅片部分设置为固体区域，固体材料设置为铝，取其热导率为201 W/(m·K)。翅片管之外设置为流体区域，流体材料设置为空气。翅片与空气接触面为流固耦合面，翅片管基管外壁面及翅片与基管接触面采用温度边界条件，设定温度283.15 K，隧道壁面采用绝热处理，初始环境温度为303.15 K。

1.3 网格独立性检验

在进行计算前，首先进行网格独立性检验，得到与网格数量无关的独立解。在距墙两倍的基管直径L/d=2，相邻两管相距三倍的基管直径S/d=3 时，分别对五种不同数量的网格进行计算，比较翅片管排表面平均对流换热系数（have）的变化，观察网格数量对计算结果的影响，从而得出最佳的网格数量。结果如表1所示。可以看出，相邻网格平均换热系数的最大偏差不超过0.3%。考虑到计算准确性和花费时间，最后选取网格数为148.6 万网格密度对模型进行网格划分。

表1 不同网格数量下翅片管排平均对流换热系数的变化

2 计算结果与分析

本文对6 根水平纵向翅片管的管排，在结构参数一定条件下，分别模拟了L/d=1，2，3，4，5 和S/d=2，3，4，5，6 情况下的单侧受限管排的自然对流换热情况，流态假设为层流。

2.1 温度场和流场特性分析

通过观察管排在L/d=2，S/d=3 时的温度场和速度场分布云图，即图3（a）和（b），可以从图中观察到隧道侧壁对管排的流动和换热产生了较大影响。由于侧壁的限制管排自然对流产生的空气流动呈现出贴壁发展的趋势，而且越靠近管排下部侧壁的引流效果越强。自然对流是由温度差产生的浮升力引起的，因此隧道内的空气经过冷排管冷却后，靠近侧壁的冷空气在重力的作用下朝下运动，越靠近管排下部冷空气的速度越块。图3（c）和（d）为局部单管温度云图和速度流线图，可以发现空气的流动并非沿竖直方向对称分布，而是偏向于侧壁方向，使得下方翅片管换热受上管尾流的影响较小，这种引流作用可能会增强管排的换热效果。同时可以发现，下部两个翅片间存在较大的滞止区，此区域空气与翅片的温差较小不利于管排的换热。

图3 隧道内管排温度，速度和流线图

2.2 墙距L 对管排自然对流换热的影响

图4 和图5 分别为相邻两管间距S/d=3 时，不同墙距（L/d=1，2，3，4，5）的管排附近的温度和速度分布云图。通过对比可以发现当管排与侧壁过于接近（L/d=1）时，管排与侧壁的空隙减小阻碍了空气的流动，同时由于翅片的存在使得管排附近出现了大片滞止区，表明此区域对流作用很弱，恶化了传热。而当管排与侧壁的距离大于一倍的管直径（L/d＞1）且小于五倍的基管直径（L/d＜5）时，侧壁产生的引流作用能够有效地破坏相邻两管之间的滞止区，增强了对流作用，换热得到强化，并且随着与侧壁距离的增加，引流作用逐渐减弱。当管排与侧壁距离较远（L/d=5）时，侧壁产生的引流效果不甚明显，流动减弱，阻碍了管排与空气的换热。在竖直方向上，空气流动速度从上到下逐渐增强，管排对隧道空间的冷却效果也越来越好。

图4 墙距L/d=1～5 时温度分布云图

图5 管距L/d=1～5 时速度度分布云图

图6 反映了各翅片单管在不同墙距（L/d=1～5）时的对流换热系数变化情况，可以看到除第一根翅片管的对流换热系数随着墙距的增加单调递减外，其余翅片管均遵循先单调递增并在L/d=2 时达到最大值，然后再单调递减的规律。而且第一根翅片管的对流换热系数要大于其余各管的对流换热系数，这是由管排的竖直布置方式引起的。这种布置方式使得下方管排的换热容易受到上方管排尾流的影响，但是侧壁的引流作用使得冷却后的空气流动偏向于侧壁面，换热又得到增强，减小了尾流对换热的削弱作用。

图6 各翅片管对流换热系数

图7 为翅片管排的平均对流换热系数随不同墙距（L/d=1～5）变化时的曲线图，整体来看翅片管排的平均对流换热系数先随着墙距的增加而增加，在L/d=2 时到达极值，然后再随着墙距的增加而逐渐减小，并且减小的幅度越来越慢。可以猜测当墙距足够大后，管排的平均对流换热系数不在随着墙距的增加减小，而是趋于某一个定值。

图7 翅片管排平均对流换热系数

2.3 管距S 对翅片管排自然对流换热的影响

图8 和图9 分别为侧壁与管排相距两倍基管直径（L/d=2），相邻两管间距（S/d=2,3,4,5,6）不同时的管排附近的温度和速度分布云图。观察发现相邻两翅片管相距S/d=2 时，受相邻翅片管换热的削弱作用，使得空气流动减弱，相邻两管之间出现了大片滞止区，传热恶化。当S/d≥3 时，侧壁面的引流作用开始出现，使得空气流动逐渐增强，同时随着管距的增加相邻两管之间的削弱作用逐渐减小，换热得到强化。

图8 管距S/d=2～6 时温度分布云图

图9 管距S/d=2～6 时速度度分布云图

各翅片单管在管距（S/d=2～6）变化时对流换热系数的变化情况，如图10 所示。可以发现第一根翅片管的对流换热系数在不同管间距时变化幅度不大，而且在数值上要大于其余各管的对流换热系数。整体上看各翅片管的对流换热系数变化规律皆随着管距的增加先单调递增在减小，不过各翅片管出现极值的位置不同，前五根翅片管出现在S/d=5，第六根翅片管出现在S/d=4。

图10 各翅片管对流换热系数

图11 为翅片管排平均对流换热系数随不同管距S/d=2～6）变化时的曲线图，整体来看翅片管排的平均对流换热系数先随着管距的增加而增加，在S/d=5 时到达峰值，然后再随着墙距的增加而逐渐减小。当S/d＞4 时翅片管排平均对流换热系数比较高，皆在8 W/(m2·K)以上。同上图10 比较，墙距距对管排平均对流换热系数的影响在5.80～7.51 W/(m2·K)范围内，而管距对管排平均对流换热系数的影响在5.38～8.14 W/(m2·K)范围内。