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风洞热交换器设计研究

赵波  
【摘要】: 在连续式跨超声速风洞中,需要高功率的压缩机提供能量以维持风洞稳定运行,这部分能量将全部转换成热量,使得洞体内部气流温度升高。由于巨大的能量输入,风洞内气流温度很快上升,因此压缩机下游的气流必须经过冷却处理以带走产生的热量。现代跨超声速风洞大多采用在风洞回路中安置水冷式热交换器的方式来冷却气流。作为跨超声速风洞中的一个关键部件,热交换器的传热设计和结构设计对风洞的整体性能有着非常大的影响,因此需要对其进行详细的研究,以保证设计结果可以获得符合设计指标的动力学性能和热力学性能,目标即尽可能的提高热交换器的换热功率,同时尽量减小气流一侧的压力损失,并改善热交换器出口气流的温度均匀性。 本文针对椭圆翅片管式热交换器展开了研究工作,希望找到一种高换热效率、低压力损失、能够较好控制流场均匀性的设计方案,为连续式风洞设计出一套性能优越的热交换器。这些工作主要包括对流动、传热的工程计算和数值模拟,分析了影响热交换器的主要因素,对其进行了比较计算,从而确定出热交换器优化设计的方案。 在工程计算中,根据风洞热交换器的工况和特点,初步给出热交换器的结构尺寸,从文献中选取了一种通用性较强的试验关联式,利用该组公式对一组设计好的热交换器传热和压损性能进行了计算,比较了不同结构参数对热交换器性能的关系,并确定出数值模拟的模型方案。利用热交换器结构和流动的空间周期性特点,采用FLUENT中的周期性流动传热模拟方法,对具有周期性的小区域进行模拟计算,从而大大减小了网格量,提高了模拟的效率和精度。工程计算和数值模拟的结果在数值上有一定差别,但热交换器结构及外流条件对性能的影响趋势完全吻合。其中,对热交换器性能影响最为显著的因素是基管型式及尺寸、翅片参数、换热管的排列方式等。数值模拟还表明,翅片材料的导热率对传热性能影响十分显著,选用合适的高导热率翅片材料,可以在基本不改变压力损失的条件下获得传热系数的大幅提升。 为了研究热交换器对气流温度场均匀性的影响,本文建立了基于顺排管束的理论计算模型,研究了多排管束热交换器出口气流温度管向分布规律,对比不同进水方式下出口气流温度分布的变化,发现多排管束中外侧气流温度沿管梯度随着管排数目的增加而加大,而管排交错进水方式可以有效改善流场温度均匀性,把出口气流温度变化控制在ΔT≤1K内。数值模拟的结果验证了理论计算的正确性,同时发现,由于出口气流具有较大的湍流度,速度和温度的波动幅度会随着气流向下游的流动很快减小。 最后,根据研究的结果以及0.6m跨超声速风洞的工况,提出了一套热交换器设计方案,并计算出基本的性能参数,分析了不同气动状态下的热交换器出口气流温度均匀性,同方向进水时出口气流最大温差可达6K,采用交错进水方式可以很好解决温度场均匀性问题。总体结果满足预期的设计指标。


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