第7期 冯俊小等：燃气辐射管换热器的结构优化与数值模拟 .937· 1-679 mm 换热面积0.42m2 密封折流板 多孔折流板 6-033mm 换热面积1.051m2 (a) (b) 图2改进前后换热器中心空气管()及折流板结构示意图(b) Fig.2 Schematic diagrams of the central air tube (a)and baffle (b)in the heat exchanger before and after improvement (3)设置烟气双行程.图1中的空气套管为单 50200万之间.计算结果显示在这个范围内烟气 侧换热，并且烟气在整个换热过程中只有单行程， 出口温度变化小于3%，说明网格具有独立性.本次 为了提高辐射管换热效率，考虑到现场设置辐射管 计算划分网格总数为208万个，流动断面上单元格 换热器处也还有一定空间，在原有结构基础上增加 长度为3mm,沿轴向单元格长度为4mm,其中结 了一层烟气套管，同时实现烟气双行程和空气套管 构化网格为142万，占总网格数的68.3%，扭曲度 两侧换热，冷热气体换热面由图1的两个增加至三 (equisize skew)在0.5以下的网格数量占96.2%. 个，烟气流动距离增加了1倍，改进后的具体结构 量土十十 如图3所示 Φ22 h 烟气第二行程 换热面1,2和3 图3烟气双行程结构示意图（单位：mm) Fig.3 Schematic diagram of the double-trip structure of ex- haust gas(unit:mm） 图4换热器截面网格划分图 Fig.4 Mesh generation map of the heat exchanger section 2计算模型 2.3数学模型 2.1物理模型 在完成建模和网格划分后，将模型导入FLU- 对辐射管换热器进行三维建模，建模对象包括 ENT软件进行计算，FLUENT通过数值求解连续 原换热器结构（图1）和改进的换热器结构（图2和 性方程、N-S方程、k-e湍流模型方程、能量守恒方 图3)，考虑到换热器的结构相对复杂，在建模时作 程和组分传输方程得到换热器的速度场、压力场和 以下两点假1：(1)忽略折流板与中心空气管、烟 温度场，这些模型稳态格式的控制方程如下所示 气管之间的间隙：(2)增大烟气、空气出口直管段的 (1)N-S方程 长度，确保无回流影响 2.2网格划分 div()=div(v.gradp)-10p POz (2) 采用Gambit软件进行网格划分.由于该换热 器结构是对称的，取一半作为数值模拟对象，在划 (2)k-e湍流模型.k为湍动能，控制方程为 分网格时，气体进出口位置、折流板壳程结构以及 气体一二次行程接口处结构比较复杂，采用网格分 di(oU内=di[（+朵）gmd +Gk-pe.(3) 块划分的方法，换热器气体进出口和一二次行 ε为湍动耗散能，控制方程为 程接口位置采用非结构化网格，其余部分采用结构 化网格.在垂直于流动方向截面上网格结构如图4 di(oe)=dir[(+）a+aIG--- 所示.为了验证网格独立性，本文使用网格数量在 (4)第 7 期 冯俊小等：燃气辐射管换热器的结构优化与数值模拟 937 ·· 图 2 改进前后换热器中心空气管 (a) 及折流板结构示意图 (b) Fig.2 Schematic diagrams of the central air tube (a) and baffle (b) in the heat exchanger before and after improvement (3) 设置烟气双行程. 图 1 中的空气套管为单 侧换热，并且烟气在整个换热过程中只有单行程， 为了提高辐射管换热效率，考虑到现场设置辐射管 换热器处也还有一定空间，在原有结构基础上增加 了一层烟气套管，同时实现烟气双行程和空气套管 两侧换热，冷热气体换热面由图 1 的两个增加至三 个，烟气流动距离增加了 1 倍，改进后的具体结构 如图 3 所示. 图 3 烟气双行程结构示意图 (单位: mm) Fig.3 Schematic diagram of the double-trip structure of ex￾haust gas (unit: mm) 2 计算模型 2.1 物理模型 对辐射管换热器进行三维建模，建模对象包括 原换热器结构 (图 1) 和改进的换热器结构 (图 2 和 图 3)，考虑到换热器的结构相对复杂，在建模时作 以下两点假设[10]：(1) 忽略折流板与中心空气管、烟 气管之间的间隙；(2) 增大烟气、空气出口直管段的 长度，确保无回流影响. 2.2 网格划分 采用 Gambit 软件进行网格划分. 由于该换热 器结构是对称的，取一半作为数值模拟对象，在划 分网格时，气体进出口位置、折流板壳程结构以及 气体一二次行程接口处结构比较复杂，采用网格分 块划分的方法[11]，换热器气体进出口和一二次行 程接口位置采用非结构化网格，其余部分采用结构 化网格. 在垂直于流动方向截面上网格结构如图 4 所示. 为了验证网格独立性，本文使用网格数量在 50∼200 万之间. 计算结果显示在这个范围内烟气 出口温度变化小于 3%，说明网格具有独立性. 本次 计算划分网格总数为 208 万个，流动断面上单元格 长度为 3 mm，沿轴向单元格长度为 4 mm，其中结 构化网格为 142 万，占总网格数的 68.3%，扭曲度 (equisize skew) 在 0.5 以下的网格数量占 96.2%. 图 4 换热器截面网格划分图 Fig.4 Mesh generation map of the heat exchanger section 2.3 数学模型 在完成建模和网格划分后，将模型导入 FLU￾ENT 软件进行计算，FLUENT 通过数值求解连续 性方程、N-S 方程、k-ε 湍流模型方程、能量守恒方 程和组分传输方程得到换热器的速度场、压力场和 温度场，这些模型稳态格式的控制方程如下所示. (1) N-S 方程. div(ϕU) = div(ν · gradϕ) − 1 ρ ∂p ∂x. (2) (2) k-ε 湍流模型. k 为湍动能，控制方程为 div(ρUk) = div ·µη + ηt σk ¶ gradk ¸ + ηtGk − ρε. (3) ε 为湍动耗散能，控制方程为 div(ρUε)=div ·µη+ ηt σε ¶ gradε ¸ +c1ηtGk ε k −c2ρ ε 2 k . (4)