黃曉聃

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和汽車(chē)等領(lǐng)域[1]。預(yù)冷器作為民機(jī)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)領(lǐng)域溫度控制的主要部件，采用的是空-空板翅換熱器。由于大溫差換熱以及封頭變徑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致預(yù)冷器熱邊出口存在明顯的不均勻溫度場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)預(yù)冷器下游不同用氣分支空氣溫度存在較大偏差的問(wèn)題，極大地影響了環(huán)控系統(tǒng)的正常工作[2]。曹學(xué)文等[3]采用 MATLAB 和 FLUENT 聯(lián)合仿真方法分析板翅式換熱器內(nèi)部流量分配特性對(duì)換熱器的影響，確定了流量分配不均是造成換熱器出口溫度不均勻的主要原因。李俊等[4]提出了板翅式換熱器核心體換熱的數(shù)學(xué)模型，通過(guò) VC++語(yǔ)言編制程序，實(shí)現(xiàn)換熱器核心體流體溫度場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算。李斐然等[5]采用FLUENT 與基于VC++語(yǔ)言程序的聯(lián)合仿真方法，對(duì)給定結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

上述工作針對(duì)板翅式換熱器的非均勻換熱特性進(jìn)行了較為深入的仿真研究，為換熱器的熱動(dòng)力特性預(yù)測(cè)提供了可行的方法。由于板翅式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際工程應(yīng)用中仍需要開(kāi)展必要的試驗(yàn)，以獲取真實(shí)換熱器出口溫度特性，進(jìn)一步確認(rèn)仿真分析的正確性。在此背景下，如何開(kāi)展有效的試驗(yàn)，盡量準(zhǔn)確和完整地獲取換熱器熱邊出口的非均勻溫度特性數(shù)據(jù)，就成為換熱器熱動(dòng)力特性試驗(yàn)方案中需要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。本文以某機(jī)型預(yù)冷器為研究對(duì)象，基于仿真的方法開(kāi)展了預(yù)冷器核心體出口溫度場(chǎng)以及管路溫度場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試方案的優(yōu)化分析，為預(yù)冷器的非均勻溫度特性試驗(yàn)提供支持。

1 預(yù)冷器熱邊核心體均勻流試驗(yàn)方案及優(yōu)化

1.1 試驗(yàn)方案

預(yù)冷器由核心體和封頭結(jié)構(gòu)焊接而成，通常封頭結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓轉(zhuǎn)方過(guò)渡的變徑結(jié)構(gòu)。幾何結(jié)構(gòu)的突變會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)造成較大影響，從而導(dǎo)致其流場(chǎng)不均勻。為了給預(yù)冷器核心體提供均勻的空氣，提出在變徑結(jié)構(gòu)和核心體之間加裝過(guò)渡直段，用以提升核心體熱邊通道流場(chǎng)的均勻性，試驗(yàn)方案如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案的仿真分析和優(yōu)化

考慮到核心體的流阻對(duì)前端流道流場(chǎng)的影響，對(duì)熱邊通道(入口封頭、過(guò)渡直段、核心體和出口延長(zhǎng)段)做整體仿真，其中核心體采用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化[6]。因熱邊通道為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故取其一半進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)預(yù)冷器熱邊空氣流量為2 kg/s，壓力為435 kPa，忽略核心體對(duì)環(huán)境的換熱，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 預(yù)冷器熱邊通道流線(xiàn)圖

圖3 預(yù)冷器熱邊通道對(duì)稱(chēng)截面速度矢量圖

由于預(yù)冷器進(jìn)口流量和壓力較大，加之圓形管路進(jìn)口位于預(yù)冷器下部，空氣通過(guò)進(jìn)口封頭后，在過(guò)渡直段內(nèi)形成了大尺度的回流，導(dǎo)致其在進(jìn)入預(yù)冷器核心體時(shí)流場(chǎng)不均，過(guò)渡段整流效果不明顯，無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

為進(jìn)一步提升整流效果，提出在測(cè)試方案中增加孔板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案[7]?？装褰Y(jié)構(gòu)安裝在過(guò)渡直段的進(jìn)口，因預(yù)冷器熱邊入口封頭為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)且有向下傾角，所以在設(shè)計(jì)孔板結(jié)構(gòu)時(shí)，同樣采取左右對(duì)稱(chēng)的形式，并將上半部分孔的尺寸設(shè)置為大于下半部分孔的尺寸(如圖4所示)。仿真分析表明(如圖5、圖6所示)：在孔板結(jié)構(gòu)后方，空氣發(fā)生小尺度的回流，在過(guò)渡直段的大部分區(qū)域，氣流流動(dòng)平穩(wěn)，在進(jìn)入預(yù)冷器核心體時(shí)，空氣流速已經(jīng)趨于平穩(wěn)，孔板結(jié)構(gòu)能夠有效地對(duì)預(yù)冷器進(jìn)口封頭的空氣進(jìn)行整理。

圖4 孔板結(jié)構(gòu)和安裝示意圖

圖5 安裝孔板結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)冷器熱邊通道流線(xiàn)圖

圖6 安裝孔板結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)冷器熱邊通道對(duì)稱(chēng)截面速度矢量圖

進(jìn)一步對(duì)比表明：未安裝孔板結(jié)構(gòu)時(shí)核心體進(jìn)口截面的空氣流速為35.6～50.8 m/s，且分布非常不均勻，下半部分區(qū)域的流速明顯高于上半部分區(qū)域。加裝孔板結(jié)構(gòu)后，進(jìn)口截面的空氣流速為38.3～42.1 m/s，流場(chǎng)的均勻性明顯提升，優(yōu)化效果明顯，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2 預(yù)冷器熱邊出口管道非均勻溫度場(chǎng)試驗(yàn)方案優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)方案

熱電偶測(cè)溫法作為最典型的接觸式測(cè)溫法[8]，其應(yīng)用廣泛、使用簡(jiǎn)便、測(cè)量精準(zhǔn)，但同樣缺點(diǎn)明顯：1)一次只能測(cè)量某一部位的局部溫度，不能代表整個(gè)被測(cè)物體的溫度，不能體現(xiàn)整個(gè)被測(cè)物體的溫度場(chǎng)；2)因熱電偶需進(jìn)入被測(cè)溫度場(chǎng)中，其會(huì)對(duì)原有溫度場(chǎng)和流場(chǎng)造成一定程度的擾動(dòng)，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確性。如何確保測(cè)溫方案在盡可能少影響流場(chǎng)的情況下捕獲更多的溫度場(chǎng)信息，將是預(yù)冷器出口管路溫度場(chǎng)試驗(yàn)方案的關(guān)鍵?；趯?shí)際的預(yù)冷器熱動(dòng)力性能測(cè)試臺(tái)架，提出3種熱電偶布置方案,如圖7所示。熱電偶實(shí)際安裝位置如圖8所示。本文將通過(guò)仿真計(jì)算，分析熱電偶對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，優(yōu)化確定測(cè)溫方案。

2.2 測(cè)溫面流場(chǎng)仿真計(jì)算

針對(duì)上述3種熱電偶布置方案，分別對(duì)熱邊出口管道流場(chǎng)及測(cè)溫段進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析所布置熱電偶對(duì)原流場(chǎng)的影響。由于管道外部有絕熱層包覆，可以忽略管道內(nèi)空氣與外界發(fā)生的熱量交換，因此管道內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化主要源于空氣的強(qiáng)迫對(duì)流。若熱電偶未對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響，也就不會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響。因此，本文通過(guò)對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)的仿真，來(lái)評(píng)估3種熱電偶布置方案對(duì)測(cè)溫面的溫度場(chǎng)影響，仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 熱電偶布置方案

圖8 熱電偶布實(shí)際安裝位置

對(duì)比各測(cè)溫面在布置熱電偶和未布置熱電偶情況下的流場(chǎng)，可知：

1)因熱電偶保護(hù)管的直徑遠(yuǎn)小于熱邊出口管段直徑，故所布置的熱電偶均未對(duì)整體流場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響；

2)因熱電偶的阻擋，其附近空氣流速有明顯提升，導(dǎo)致局部流場(chǎng)發(fā)生變化，各熱電偶對(duì)附近流場(chǎng)影響程度并不相同；

3)方案二中第1、2、3和6點(diǎn)附近流場(chǎng)未發(fā)生明顯變化，而第4和5點(diǎn)附近流場(chǎng)變化明顯；

4)方案一中靠近核心體的測(cè)溫面流場(chǎng)與方案二中流場(chǎng)基本一致，表明該測(cè)溫面的流場(chǎng)基本未受遠(yuǎn)離核心體的測(cè)溫面所布置熱電偶影響；

5)方案一中兩測(cè)溫面流場(chǎng)的差異主要體現(xiàn)在第5點(diǎn)，因其插入較深，對(duì)附近流場(chǎng)產(chǎn)生了較明顯的擾動(dòng)，其余各點(diǎn)附近流場(chǎng)基本一致；

6)方案三中雖布置熱電偶最少，但第1點(diǎn)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生了較為明顯的擾動(dòng)，將導(dǎo)致其無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量溫度場(chǎng)，且有效測(cè)溫點(diǎn)太少。

表1 測(cè)溫面速度場(chǎng)仿真結(jié)果

對(duì)3個(gè)方案中所布置的熱電偶對(duì)原流場(chǎng)影響的分析可知，方案一兩測(cè)溫面間距較小，流場(chǎng)基本一致，布置的12根熱電偶，有效測(cè)溫點(diǎn)為4個(gè)，因此布置兩個(gè)測(cè)溫面無(wú)實(shí)際意義。方案三中熱電偶對(duì)原流場(chǎng)有明顯的影響，加之傳感器數(shù)量較少，無(wú)法有效得到非均勻溫度特性。方案二中所布置的6根熱電偶有4根未對(duì)附近流場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響，可作為有效測(cè)溫點(diǎn)。因此，對(duì)于預(yù)冷出口管路的非均勻溫度場(chǎng)試驗(yàn)，采用方案二中熱電偶的布置方式是較優(yōu)的選擇。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)溫段一固定的角度，以獲取更多溫度場(chǎng)的特征。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)預(yù)冷器非均勻熱動(dòng)力性能測(cè)試方案的分析，得出如下結(jié)論:

1) 采用孔板結(jié)構(gòu)加過(guò)渡直段的測(cè)試方案，能夠很好地解決由于預(yù)冷器熱邊進(jìn)口封頭帶來(lái)的預(yù)冷器核心體流量分配不均的問(wèn)題，為達(dá)到更好的整流效果，孔板結(jié)構(gòu)的孔徑大小要依據(jù)預(yù)冷器熱邊封頭的位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；

2) 在管道溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)中，采用單截面6根均勻布置熱電偶的方式，能夠在布置數(shù)量和有效測(cè)溫?cái)?shù)量之間得到最優(yōu)的組合。

通過(guò)本文提出的試驗(yàn)方案，能夠有效地支持預(yù)冷器核心體均勻流試驗(yàn)和管路溫度場(chǎng)試驗(yàn)，可為試驗(yàn)校正非均勻溫度場(chǎng)仿真計(jì)算和實(shí)際溫度場(chǎng)特性測(cè)量提供有力支持。