CN108571911A - 带有自适应结构的并联通道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带有自适应结构的并联通道，包括多个平行且间隔设置的冷却通道，其中，沿它们的流向方向上，任意相邻的两个冷却通道间均设置有自适应结构，以使冷却通道内的流体相联通。该带有自适应结构的并联通道，减小了平行通道的流量分配不均匀，并能实现多模态热环境条件下的通道流量分配的自适应调整。

Description

带有自适应结构的并联通道
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及带有自适应结构的并联通道。
背景技术
平行通道的流量分配均匀性对传统换热器的换热效率及能量利用率有着十分重要的影响，而在实际再生冷却的航天发动机的工程应用中，由于采用热物性变化剧烈的超临界碳氢燃料作为冷却介质，冷却通道间的流量分配不均匀性会由于冷却剂的物性变化而加剧。而且在超燃发动机、组合动力循环发动机的壁面存在极不均匀的热负荷分布特点，超临界碳氢燃料的热物性特点造成平行通道的流量分配规律与壁面热负荷分布规律恰好相反，高热流区对应小质量流量区域，很容易造成局部高温超限，直接导致发动机损毁。
目前常见的平行冷却通道布局方式有U型、Z型、I型、C型等，在航天发动机的再生冷却系统中，受到相对位置和结构布局等因素的限制，常采用I型布局。关于优化换热器通道内分配均匀的研究很多，像文献《A control method for hydrocarbon fuel flowdistribution based on variable channel sectional area designundersupercritical pressure》，研究了在垂直方向上改变通道高度从而实现改变通道截面积，可实现通道间流量分配的控制。像专利《201710147305.9》通过改变集液腔及通道渐变系数来实现圆周分布的平行冷却通道间的流量分配控制。但现有技术不能同时满足流场影响最小化的同时适应宽范围变化的热负荷条件下流量分配的控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种减小了平行通道的流量分配不均匀，并能实现多模态热环境条件下的通道流量分配的自适应调整的带有自适应结构的并联通道。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，带有自适应结构的并联通道，包括多个平行且间隔设置的冷却通道，其中，沿它们的流向方向上，任意相邻的两个冷却通道间均设置有自适应结构，以使冷却通道内的流体相联通。
进一步地，该自适应结构的设置位置满足如下条件：根据工况的热环境，在冷却通道内的流体密度变化率大的位置处布置。
进一步地，该自适应结构为联通通孔。
进一步地，该联通通孔的内径小于冷却通道的内径。
本发明还公开了一种发动机再生冷却系统，包括上述的带有自适应结构的并联通道。
进一步地，该自适应结构的设置位置满足如下条件：在发动机只有一个工作模态时，根据工况的热环境，在冷却通道内的流体密度变化率大的位置处布置；在发动机有多个工作模态时，在各个工况下，在冷却通道内的流体密度变化率大的位置处均布置。
本发明带有自适应结构的并联通道具有如下优点：在不改变冷却通道宽度的条件下，减小了通道加工难度，减小了平行通道的流量分配不均匀，并能实现多模态热环境条件下的通道流量分配的自适应调整。使冷却区域的温度分布趋于均匀，从而避免由于热应力导致的部件失效。
附图说明
图1是本发明带有自适应结构的并联通道的平面投影图。
图2为本发明中改变单个自适应结构位置时的流量分配结果图；
图3为本发明中改变自适应结构数目的流量分配结果图；
其中：1.冷却通道；2.自适应结构。
具体实施方式
本发明带有自适应结构的并联通道，本实施例中针对的是垂直入口的I型并联双通道。如图1所示，包括多个平行且间隔设置的冷却通道1，其中，沿它们的流向方向上，任意相邻的两个冷却通道1间均设置有自适应结构2，以使冷却通道内的流体相联通。使得两个冷却通道1的自适应机构2所在位置处的流体的压力相等。自适应结构2为联通通孔。联通通孔的内径小于冷却通道1的内径。联通通孔截面形状可根据实际工况和加工条件进行调整，没有特定要求。
上述自适应结构2的设置位置满足如下条件：根据工况的热环境，在冷却通道内的流体密度变化率大的位置处布置。流体密度变化率大的位置采用Fluent三维数值模拟确定。
本发明中的带有自适应结构的并联通道，可用于航天发动机的再生冷却系统，也可用于传统换热器的换热通道。
本发明还公开了一种发动机再生冷却系统，包括上述的带有自适应结构的并联通道。该自适应结构2的设置位置满足如下条件：在发动机只有一个工作模态时，根据工况的热环境，在冷却通道1内的流体密度变化率大的位置处布置；在发动机有多个工作模态时，在各个工况下，在冷却通道1内的流体密度变化率大的位置处均布置。
为了确定自适应结构2的设置位置，发明人对无自适应结构的并联通道进行了Fluent三维数值模拟，模拟中考虑冷却介质的超临界物性变化及裂解反应，超临界物性变化包括流体密度、比热容、导热率、粘度等，进行了如下测定，其中，冷却通道1中基准管加载的热流为1MW/m2，偏差管加载的热流为1.2MW/m2，入口流量为0.002kg/s，温度400K，如图2所示，无自适应结构工况(即N＝0)和一个自适应结构(即N＝1)时的流量分配结果，其中N为自适应结构的个数，当流通通道内的流量越接近于0.001kg/s代表流量分配均匀性越好，由图知，在仅增加一个自适应结构2时，自适应结构2设置在轴向2/5位置处的改善效果最好，通过流场分布结果可知，只所以2/5处的改善效果最好，是因为该位置处流体的速度变化率比其他位置要大得多。
本实施例中，针对典型发动机再生冷却系统中并联设置的平行冷却通道的双管基础构型，进行了Fluent三维数值模拟，测定了设置不同个数的自适应结构2对流通通道1中流体流量的分配特性的影响。如图3所示，自适应结构2的数目越多，流量分配的均匀性越好，但是，过多的自适应结构会增大换热结构的流动损失，相应地对供应系统的要求增大。因此，在实际使用过程中，应根据冷却通道1内流体的速度及密度分布，即速度和密度是耦合的关系，质量流量一定的情况下，密度越大，速度越小。在速度变化最剧烈的区域设置自适应结构，实现冷却通道1间的流量分配控制。

Claims (6)

1.带有自适应结构的并联通道，其特征在于，包括多个平行且间隔设置的冷却通道(1)，其中，沿它们的流向方向上，任意相邻的两个冷却通道(1)间均设置有自适应结构(2)，以使冷却通道内的流体相联通。
2.按照权利要求1所述的带有自适应结构的并联通道，其特征在于，所述自适应结构(2)的设置位置满足如下条件：根据工况的热环境，在冷却通道内的流体密度变化率大的位置处布置。
3.按照权利要求1或2所述的带有自适应结构的并联通道，其特征在于，所述自适应结构(2)为联通通孔。
4.按照权利要求3所述的带有自适应结构的并联通道，其特征在于，所述联通通孔的内径小于冷却通道(1)的内径。
5.一种发动机再生冷却系统，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的带有自适应结构的并联通道。
6.按照权利要求5所述的一种发动机再生冷却系统，其特征在于，所述自适应结构(2)的设置位置满足如下条件：在发动机只有一个工作模态时，根据工况的热环境，在冷却通道(1)内的流体密度变化率大的位置处布置；在发动机有多个工作模态时，在各个工况下，在冷却通道(1)内的流体密度变化率大的位置处均布置。
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