CN109737788A - 一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构，通过在平面靶板上布设大小不同的圆锥形凸起结构；阵列射流冲击该凸起靶板时，在靶板表面流速较低区域用圆锥形凸起结构取代低速流体以增强换热能力，凸起的导流作用有助于减小流动损失，特别是圆锥形凸起区域的局部努赛尔数较平面靶板得以提高，同时换热面积的增加使换热量提高。该凸起靶板结构可改变冲击流场结构，以改善换热环境，保证较小的压力损失，增强局部换热。该结构在平面靶板上布设锥形凸起，原理简单，加工难度较小；布置在靶板上的凸起结构的大小不尽相同，布设位置也有所不同，有效强化换热能力，适用于航空发动机和电子器件中高温部件的冷却。

Description

一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构

技术领域

本发明涉及航空发动机和电子器件的高温部件冷却技术，具体地说，涉及一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构。

技术背景

冲击换热可以理解为是当一股流体向与自身温度不同的壁面即冲击靶面时与该壁面进行热交换的一种换热形式。由于射流直接冲击被冷却的表面，射流出口速度较快且流程短，因而在驻点附近形成的流动边界层很薄，冲击换热被认为是具有最强换热效果的对流换热形式。目前冲击冷却技术已得到广泛应用，例如在航空发动机涡轮热负荷最高处即叶片前缘，冲击冷却也应用于涡轮叶片的叶盆和叶背冷却、电子芯片的冷却诸多方面。

为了改善冲击换热的性能，可以在靶面设置扰流元件以增加靶版表面的粗糙度，而增加粗糙度的方式，一般是在靶面上布置不同种类的凹陷和凸起结构。目前国内外均对在靶板上布置凹陷和凸起结构的冲击换热情况进行有一定程度的研究。其中凹陷结构的一种是射流冲击凹坑冷却技术，即在靶面上按一定的排列规则加工出一定深度的凹坑，凹坑形状一般为球面。靶板上凹坑的存在可以激发涡旋，强有力的涡旋能够强化对流换热，加快带走壁面热量的速率，实现有效冷却的目的。靶板上的凹坑结构对流动的扰动较趋于近壁面化，所造成的压力损失不会太大，但是强化换热的效果会受到限制。

目前国内外对凸起靶板的研究主要包括在靶板表面布置扰流柱肋、针肋和各种类型的条形肋。肋的高度与冲击间距的比例、以及肋的高度与肋间距的比例是在靶板上布置肋时需要仔细考虑的重要参数。靶板上肋的存在不仅可以对冲击后流体的流动进行扰动，破坏壁面的流动边界层，强化换热速率，同时肋也增加了换热面积，从而提高换热量。但是肋的存在会在肋的前后形成固定的低速涡流区，增大了流动损失，在流动压差相同的情况下，会减小流量，不利于冲击换热。因而在靶板上布置各种类型的肋虽然可以强化换热效果，但是相对于平板会导致一定程度的流动损失。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构。

本发明的思路是:在冲击射流冲击平面靶板时，在靶板表面流速较低区域用冲击靶板上大凸圆锥结构取代低速流体，同时凸起的存在增大换热面积和增大换热量；冲击靶板上小凸圆锥可削弱阵列冲击时产生的横流效应，增强两股冲击流在交界面区域的扰动，从而有效改善冲击换热效果，以达到减小流动损失、强化冲击换热的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括冲击板、冲击靶板、冲击靶板上大凸圆锥、冲击靶板上小凸圆锥和阵列冲击孔，其特征在于在冲击靶板上布设若干大小不同的凸圆锥结构，用来增强冲击换热能力；其中，冲击靶板上大凸圆锥的底面直径为D1、高度为h1，冲击靶板上小凸圆锥的底面直径为D2、高度为h2，冲击靶板上的大凸圆锥、冲击靶板上小凸圆锥均以冲击孔d为比例范围；

阵列冲击孔的布设形式为顺排，冲击孔直径为d，x方向与y方向的冲击孔间距均为10d，冲击板与冲击靶板间距为2d；

凸圆锥结构的布设形式为顺排，冲击靶板上大凸圆锥位于阵列冲击孔的正下方，大凸圆锥的底面直径D1取值范围为3d～5d、高度h1取值范围为0.1d～0.4d、小凸圆锥的底面直径D2取值范围为1d～2d、高度h1取值范围为0.1d～0.2d。

所述冲击靶板上大凸圆锥与冲击靶板上小凸圆锥结构顺排均以等间距方式重复排列，其中，带有冲击靶板上大凸圆锥结构的顺排位于冲击靶板上小凸圆锥结构的顺排之间，且带有冲击靶板上大凸圆锥与同排冲击靶板上小凸圆锥间隔布设。

有益效果

本发明提出的一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构，是在平面冲击靶板上布设大小不同的圆锥形凸起结构，以达到改善冲击换热能力的目的。在冲击射流冲击平面靶板时，在靶板表面流速较低区域用圆锥形凸起结构取代低速流体以增强换热能力，凸起的导流作用有助于减小流动损失。冲击靶板上较大的圆锥形凸起的底面直径D1、高度h1和较小的圆锥形凸起结构的底面直径D2、高度h2均与冲击孔d有一个合适的比例范围，尺寸合适的凸起结构可以增强流体扰动、导流以减小横流影响、增大换热面积。阵列射流冲击该凸起靶板时，圆锥形凸起区域的局部努赛尔数较平面靶板有所提高，整体冲击换热效果好，而且具有流动损失小的特点。此外，由于该结构只是在传统平面靶板上布置锥形凸起，原理简单，加工难度较小。该结构保证了凸起的最佳尺寸配合，有效地强化换热能力、减小流动损失，适用于航空发动机、电子器件的高温部件的冷却。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构作进一步的详细说明。

图1为本发明减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构示意图。

图2为本发明减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构剖视图。

图3为本发明凸起靶板结构的俯视图。

图中

1.阵列冲击孔 2.冲击板 3.冲击靶板上大凸圆锥 4.冲击靶板上小凸圆锥 5.冲击靶板

参数说明:

d为阵列冲击孔直径X为x方向冲击孔间距Y为y方向冲击孔间距H为冲击板与冲击靶板之间的冲击间距D1为冲击靶板上大凸圆锥的底面直径h1为冲击靶板上大凸圆锥的高度D2为冲击靶板上小凸圆锥的底面直径h2为冲击靶板上小凸圆锥的高度Re为雷诺数Nu为努赛尔数Cd为流量系数

具体实施方式

本实施例是一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构。通过在平面靶板上布设大小不同的凸圆锥结构；阵列射流冲击该凸起靶板时，在靶板表面流速较低区域用凸圆锥结构取代低速流体以增强换热能力，凸圆锥的导流作用有助于减小流动损失，特别是凸圆锥区域的局部努赛尔数较平面靶板得以提高，同时换热面积的增加使换热量提高。

参阅图1、图2、图3，本实施例减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构，由冲击板2、冲击靶板5、冲击靶板上大凸圆锥3、冲击靶板上小凸圆锥4和阵列冲击孔1组成，在冲击靶板上布设若干大小不同的凸圆锥结构，用来增强冲击换热能力；冲击靶板上大凸圆锥3与冲击靶板上小凸圆锥4结构顺排均以等间距方式重复排列，其中，其中，带有冲击靶板上大凸圆锥结构的顺排位于冲击靶板上小凸圆锥结构的顺排之间，且带有冲击靶板上大凸圆锥与同排冲击靶板上小凸圆锥间隔布设。冲击靶板上大凸圆锥3的底面直径为D1、高度为h1，冲击靶板上小凸圆锥4结构的底面直径为D2、高度为h2，冲击靶板上的大凸圆锥3、冲击靶板上小凸圆锥4均以冲击孔d为比例范围。

本实施例中，阵列冲击孔的布设形式为顺排，冲击孔直径为d，x方向与y方向的冲击孔间距均为10d，冲击板与冲击靶板间距为2d。凸圆锥结构的布设形式为顺排，冲击靶板上大凸圆锥3位于阵列冲击孔1的正下方，大凸圆锥3的底面直径D1取值范围为3d～5d、高度h1取值范围为0.1d～0.4d、小凸圆锥4的底面直径D2取值范围为1d～2d、高度h1取值范围为0.1d～0.2d。带有大小凸圆锥结构的冲击靶板通过机械加工或铸造的方式加工形成，加工工艺简单。

本实施例中，采用数值模拟及实验的方法进行验证，而且均采用3×3孔冲击模型，具体参数为:阵列冲击孔直径d为7mm，阵列冲击孔间距X及Y均为70mm，冲击间距为14mm，雷诺数Re取用25000。分析结果时采用努赛尔数Nu衡量换热效果，采用流量系数Cd衡量压力损失。

实施例一

本实施例是某型涡轮导向叶片中弦区内部冲击冷却结构的简化模拟。简化模型为3×3孔阵列冲击冷却模型，阵列冲击孔直径d为7mm，阵列冲击孔间距X及Y均为10d，冲击间距为2d，雷诺数Re取用25000。冲击靶板上大凸圆锥结构的底面直径为4d、高度为0.2d，冲击靶板上小凸圆锥结构的底面直径为d、高度为0.1d。

实施例二

本实施例是某型涡轮导向叶片中弦区内部冲击冷却结构的简化模拟。简化模型为3×3孔阵列冲击冷却模型，阵列冲击孔直径d为7mm，阵列冲击孔间距X及Y均为10d，冲击间距为2d，雷诺数Re取用25000。冲击靶板上大凸圆锥结构的底面直径为5d、高度为0.2d，冲击靶板上小凸圆锥结构的底面直径为2d、高度为0.1d。

上述实施例中，冲击换热效果主要取决于冲击传热温度、传热面积和冲击流体与冲击靶板间的换热强度。正冲击换热时，冲击射流冲击靶板后流动方向会立即转向90度，并沿壁面流动，边界层从冲击区域中心点处开始形成并发展。在冲击中心点附近，由于边界层处于射流横截面覆盖范围，或受到射流的冲击挤压作用，进一步减薄，因此表面传热系数很高。阵列冲击时，孔与孔之间的冲击流体会产生横流效应，会削弱冲击换热效果。

Claims (2)

1.一种减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构，包括冲击板、冲击靶板、冲击靶板上大凸圆锥、冲击靶板上小凸圆锥和阵列冲击孔,其特征在于:在冲击靶板上布设若干大小不同的凸圆锥结构，用来增强冲击换热能力；其中，冲击靶板上大凸圆锥的底面直径为D1、高度为h1，冲击靶板上小凸圆锥的底面直径为D2、高度为h2，冲击靶板上的大凸圆锥、冲击靶板上小凸圆锥均以冲击孔d为比例范围；

阵列冲击孔的布设形式为顺排，冲击孔直径为d，x方向与y方向的冲击孔间距均为10d，冲击板与冲击靶板间距为2d；

凸圆锥结构的布设形式为顺排，冲击靶板上大凸圆锥位于阵列冲击孔的正下方，大凸圆锥的底面直径D1取值范围为3d～5d、高度h1取值范围为0.1d～0.4d、小凸圆锥的底面直径D2取值范围为1d～2d、高度h1取值范围为0.1d～0.2d。

2.根据权利要求1所述的减小流动损失、强化冲击换热的凸起靶板结构，其特征在于:所述冲击靶板上大凸圆锥与冲击靶板上小凸圆锥结构顺排均以等间距方式重复排列，其中，带有冲击靶板上大凸圆锥结构的顺排位于冲击靶板上小凸圆锥结构的顺排之间，且带有冲击靶板上大凸圆锥与同排冲击靶板上小凸圆锥间隔布设。