耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟.doc

耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟龚晖1,2，曾令可2，税安泽2(1.珠海市旭日陶瓷有限公司，珠海，519110， 2.华南理工大学 材料科学与工程学院，广州，510640）摘 要：本文通过建立蜂窝陶瓷传热及气体流动的三维非稳态模型，运用计算流体力学(CFD)软件，在耦合边界条件下对蜂窝陶瓷的工作过程进行数值模拟，得到了启动过程中蜂窝陶瓷热端和冷端的气体温度及压力变化规律，以及稳定工作期内，蜂窝陶瓷内气体温度、速度、和压力的分布规律。为采用蜂窝陶瓷作为蓄热体的高温空气燃烧技术的开发提供了一定的理论依据和指导。关键词：高温空气燃烧技术，蜂窝陶瓷，模拟，耦合边界Numerical Simulation of Honeycomb Ceramic Heat Transfer and Gas Flow Characteristics in Coupled Boundary ConditionsGong Hui1,2 , Shui Anzei2, Zeng Lingke2(1.Zhuhai Risingsun Ceramics Co. Ltd, Zhuhai, 519110, 2. College of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640)Abstract In this paper, 3d unsteady model of honeycomb ceramic heat transfer and gas flow characteristics was established. By the use of computational fluid dynamics (CFD) software, the work process of the honeycomb ceramic was simulated in coupled boundary conditions. Through that, the gas temperature and pressure variation at hot end and cold end of honeycomb ceramic in start-up process was gained, as well as the gas temperature, speed and pressure distribution inside the honeycomb ceramics at stable working period. These results can provide a theoretical basis and guidance for the development of high-temperature air technology which uses honeycomb ceramic as regenerator.Key Words HTAC，Honeycomb Ceramic，Computer Simulation，Coupled Boundary1.引言 高温空气燃烧技术(HTAC)为提高燃料利用率和降低环境污染带来新的机遇，已引起了世界各国的广泛关注1-4。蜂窝陶瓷作为其关键部件，承担着传热、蓄热和放热的过程5。因此，详细研究蜂窝陶瓷的传热过程，对于提高HTAC系统的蓄热、放热效率，提高窑炉的综合节能和降低环境污染具有重要意义。 然而当初始温度相差极大的换热气体与蜂窝陶瓷接触传热时，其温度和热流密度都受到流体与壁面之间相互作用的制约而实时地变化着，这时无论界面上的温度还是热流密度都应看成是计算结果的一部分，而不是己知条件。这显然不是传统的三类换热边界条件所能概括的6。像这类由热量变换过程动态地加以决定而不能预先规定的藕合传热问题，需要在两相交界面处引入耦合边界条件加以解决7。2.模拟方法2.1 物理模型图1 蜂窝陶瓷的单元结构Fig.1 Cell structure of honeycomb ceramic图1为蜂窝陶瓷的矩阵型结构图，忽略蜂窝陶瓷与蓄热室壁面接触的单元格和蜂窝陶瓷体间相互接触处的单元格与其它单元格环境的差异，则可假设各格孔内的传热相同，仅取一个单元孔格作为研究对象，由于蜂窝陶瓷单元格是正方形单管结构，是横截面轴对称的，里面气体的速度、温度及压力分布都具有对称性，因此选取截面的1/4和长度方向的三维空间体积作为计算区域，是较为合理且符合“简化物理模型，便于数值计算”的这一原则。本文采用堇青石蜂窝陶瓷，假设在整个换热过程中其密度与比热不随温度变化，导热系数为温度的分段线性函数，其值如表2-1：表2-1 堇青石蜂窝陶瓷物性表8Table3-1 Properties of cordierite honeycomb ceramic温度(K)密度(kg/m3)等压比热Cp(J/(kgK)导热系(W/(mK)30017009201.97150017009203.94气体的物性参数：密度、等压比热、导热系数及动力粘度为温度的分段线性函数，具体数据参见文献9。2.2模拟工况及初始条件本文选定模拟工况为：蜂窝陶瓷孔边长3mm，蜂窝陶瓷高度800mm，入口烟气流速8m/s，入口烟气温度1273K，换向时间30s，蜂窝陶瓷孔壁厚0.8mm。蜂窝陶瓷及气体的温度初始值T0=303K，气体初始速度设为零，初始表压(Gauge Pressure)设为零。2.3 求解模型选择及耦合边界条件的设定由于本文研究的单管模型长度尺度相差很大，所以选用双精度3D求解器，选择分离非稳态解格式，激活能量方程，层流模型10。 在CFD软件的壁面边界条件设定中一般只有传统三类热边界条件与混合边界条件。首先需要在GAMBIT 中建立网格时采用split volume工具得到交界面处“wall”与“wallshadow”这种特殊的壁面，然后将网格导入CFD软件中在设定边界条件时选择Coupled 边界条件,藕合边界条件如下11：3.结果分析3.1 启动过程分析 蜂窝陶瓷从303K开始工作，到稳定工作状态要经历一个启动过程。启动过程中，蜂窝陶瓷冷端与热端气体的瞬时温度如图2所示。蜂窝陶瓷烟气入口端为热端，助燃空气入口端为冷端。在图2中冷端出口气体为烟气，其温度在开始的几次切换过程中接近于303K，随后急剧上升，然后增幅逐渐放缓，最后趋于水平。而热端出口气体为空气，其出口温度也是随切换次数的增加逐渐升高，然后增幅趋于平缓直至稳定。这是因为在启动过程中，每个加热期蜂窝体吸收的热量大于冷却期被空气带走的热量，使得每个换向周期完成后，都有剩余的热量积累在蜂窝陶瓷内，导致蜂窝陶瓷的温度不断升高，使得它与烟气的温差逐渐减小，换热能力不断减弱，在加热期所能吸收的热量也就越来越少，因此烟气出口温度逐渐上升。而蜂窝陶瓷的温度不断升高，使其与空气的温差变大，换热能力增强，在冷却期所能释放的热量也就越来越多，故预热后的空气出口温度不断升高。图2 启动过程冷端和热端气体瞬时温度(换向时间30s)Fig.2 Instant temperature of gas at cool end and hot end in start-up process(switch time 30s) 同时从图2中还可以发现在每次换向结束后，冷端和热端的气体温度都不是瞬间便达到了303K或1273K，而是经过几秒钟的时间过程逐渐达到的，其原因是在由加热期转换为冷却期后，蜂窝陶瓷内还残留有一定的烟气，进入的空气与残留烟气会发生接触和碰撞，产生混合，所以在这段时间内冷端气体温度略高于303K，经过较短的时间后恢复正常；由冷却期转换为加热期的情况则相反，蜂窝陶瓷内残留的是空气，进入的烟气与残留空气会发生接触和碰撞，产生混合，所以在这段时间内热端气体温度略低于1273K，经过较短的时间后恢复正常。图3a启动过程热端口气体瞬时压力(换向时间30s)Fig.3a Instant pressure of gas at hot end in start-up process(switch time 30s)图3b启动过程冷端口气体瞬时压力(换向时间30s)Fig.3b Instant pressure of gas at cool end in start-up process(switch time 30s)图3a,b是分别是启动过程热端与冷端入口气体的瞬时压力图，由图可知随着蜂窝陶瓷蓄热量的增加，经过蜂窝陶瓷内气体通道的气体平均温度越来越高，气体入口的压力越来越大，出口压力越来越小，压力损失越来越大，直到进入稳定工作状态，压力损失才趋于稳定。同时还可以发现，每次换向时瞬时压力突然增大，这因为每次换向通道内的气体还保持原来的流动方向，与进入的气体方向相反阻止其流入，所以造成瞬时压力增大很多。在蜂窝陶瓷工作状态逐渐趋于稳定的动态过程中，每一换向周期内的蓄热量变得越来越少，而放热量越来越多，直到两者最终趋于平衡，达到稳定工作状态。蜂窝陶瓷的蓄热量大于换热量，是启动过程的基本特征，当蓄热量与放热量相等时，蓄热室就达到稳定工作状态，气体的压力损失基本稳定下来，启动过程结束。以下分析皆为系统进入稳定工作态后的分析。3.2 蜂窝陶瓷、气体的温度分布分析图4a,b分别为加热期末烟气、冷却期末空气的速度分布3d图。z轴为长度方向，长度为800mm，z轴中点坐标为0，底部为热端，烟气入口(预热后助燃空气的出口)，坐标为-400mm；顶部为冷端，烟气出口(助燃空气入口)，坐标为400mm。x，y长度均为1.9mm，中点坐标为0。为了3d图方便展示，在长度方向上压缩了200倍，即z轴与x，y轴的长度比例因子为200：1。取图4a,b在y=0处的剖面图进行分析，见图5a,b。图4a加热期末烟气3d温度分布Fig.4a 3d temperature distribution of flue gas at the end of heating process图4b冷却期末空气温度分布3d图Fig.4b 3d temperature distribution of air at the end of cooling process10图5a y=0处加热期末的蜂窝陶瓷、烟气的温度分布Fig.5a Temperature distribution of honeycomb ceramic and flue gas at the end of heating process at y=0图5b y=0处冷却期末的蜂窝陶瓷、空气的温度分布Fig.5b Temperature distribution of honeycomb ceramic and air at the end of cooling process at y=0在图5a,b中左侧部分(x=-0.95mm-0.55mm)为蜂窝陶瓷，右侧部分(x=-0.55mm0.95mm)为气体通道。左侧的等温线为水平线分布，右侧气体等温线为抛物线分布。这说明蜂窝陶瓷壁厚合适，在同一高度上换热均匀，其温度是相等的。在气体区越靠近壁面对流换热的强度越大，气体温度与蜂窝陶瓷温度相近；越远离壁面对流换热的强度越小，气体与蜂窝陶瓷有一定温差；所以形成了抛物线分布，并且由于越接近冷端换热能力越弱，所以越是接近冷端弧度越大。对于图5a等温线为向上凸的，这是因为在加热期烟气向蜂窝陶瓷放热，在同一高度上烟气的温度高于蜂窝陶瓷的温度。1273k的烟气从热端进入，经过一个加热期，蜂窝陶瓷热端与烟气几乎没有温度差(见图6a)，不再有蓄热能力；随着烟气向上部冷端的移动，烟气温度逐渐降低，直至达到400K左右才从冷端出去。对于图5b则恰好相反，冷却期蜂窝陶瓷向助燃空气放热，在同一高度上蜂窝陶瓷的温度高于助燃空气的温度，等温线向下凸。303k的助燃空气从冷端进入被预热，经过一个冷却期后出口温度只有1170k左右(见图6b)，蜂窝陶瓷又恢复了蓄热能力。 图6a热端加热期末蜂窝陶瓷、烟气温度分布Fig.6a hot end temperature distribution of honeycomb ceramic and flue gas at the end of heating process 图6b热端冷却期末蜂窝陶瓷、空气温度分布Fig.6b hot end temperature distribution of honeycomb ceramic and air at the end of cooling process图6c冷端加热期末的蜂窝陶瓷、气体的温度分布Fig.6c cool end Temperature distribution of honeycomb ceramic and flue gas at the end of heating process 图6d冷端冷却期末的蜂窝陶瓷、气体的温度分布Fig.6d cool end Temperature distribution of honeycomb ceramic and air at the end of cooling process从图6a, b可知，热端加热期末与冷却期末蜂窝陶瓷的温差在100k左右，相对于冷端加热期末与冷却期末蜂窝陶瓷的温差60k左右(如图6c,d)要大很多，所以底部蜂窝陶瓷比顶部蜂窝陶瓷更容易损坏。3.3 气体速度的分布分析图7a y=0处加热期末烟气速度分布Fig.7a y=0, Velocity distribution of flue gas at the end of heating process图7b y=0处冷却期末空气速度分布Fig.7b y=0, Velocity distribution of air at the end of cooling process图7a,b左侧速度为零的部分是蜂窝陶瓷，由于蜂窝陶瓷不运动，其速度当然为零。右侧为气体通道，其内气体等速线分布为抛物线分布，并且随着z值增加，速度的绝对值变小，由于气体的温度也同时降低，气体密度上升，因此气体流速变慢。图7a中的速度值都为正值，表明烟气从热端向冷端流动；图7b中的速度值都为负值，表明空气从冷端向热端流动。在蜂窝陶瓷内气体由于通道尺寸太小且要逐渐呈层流分布，所以接近蜂窝陶瓷内壁的气体速度要明显低于中心区的气体速度。这两图的速度曲线均为典型的层流速度分布，因此通道内气体流动为层流流动，说明前面层流模型的选取是正确的。图8a,b分别为加热期烟气、冷却期空气在入口处的速度分布图，图8a中烟气以8m/s均匀分布的速度进入通道，在接近蜂窝体内壁处的烟气速度要明显低于8m/s，同时要烟气的质量流量保持不变，所以烟气要逐渐呈层流分布，在入口处远离蜂窝陶瓷壁的烟气速度必然要明显高于8m/s；图8b中助燃空气以1.9m/s均匀分布的速度进入通道也有明显的速度分层现象。图8a加热期末烟气入口速度分布Fig.8a Inlet velocity distribution of flue gas at the end of heating process图8b冷却期末空气入口速度分布Fig.8b Inlet velocity distribution of air at the end of cooling process3.4 气体压力分布的分析图9a y=0处，加热期末烟气压力分布Fig.9a y=0, Pressure distribution of flue gas at the end of heating process图9b y=0处，冷却期末空气压力分布Fig.9b y=0, Pressure distribution of air at the end of cooling process 图9a、b分别是加热期末烟气与冷却期末空气压力分布图，这两个剖面图与前面分析的剖面图最大的不同就是等压线的分布是呈水平线分布，也就是说在同一高度上气体的压力是相等的。这是因为蜂窝陶瓷内气体流动为层流状态，流动的沿程压力损失只与雷诺数Re有关，与其成正比12。虽然气体压力在同一水平高度上没有变化，但是沿高度方向上的变化却很大。因为雷诺数，与气体的平均流速成正比，而气体的流速与温度成正比，因此蜂窝陶瓷热端的单位高度压力损失要大于冷端，加热期的烟气压力损失要大于冷却期空气的压力损失。4.结论 蜂窝陶瓷是高温空气燃烧系统的关键部件，通过对耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟得到如下结论：(1)得到了启动过程中蜂窝陶瓷热端和冷端的气体温度及压力变化规律；(2)获得了具体某一工况下，进入稳定工作期后烟气和空气在蜂窝陶瓷内的温度、速度及压力分布规律。为采用蜂窝陶瓷作为蓄热体的高温空气燃烧技术的开发提供了一定的理论依据和指导。参考文献1 Yasuda T. Development of super advanced regenerative furnace with HTAC suitable in Malysia. In: Yoshikawa K.eds.5th International Symposium on High Temperature Air Combustion and Gasification. Yokohama: Tokyo Institute of Technology, 2002. A401-A4092 Chang R C, Chang W C, Chi W C, et al. Development HiTAC applications in