CN111336854B - 智能化自适性翅片及翅片模块和在太阳能无人机上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智能化自适性翅片及翅片模块和在太阳能无人机上的应用，翅片在朝向冷却来流的一侧局部采用温敏记忆材料，并在局部范围内开有垂直于翅片边缘的切口，当材料自身温度低于设定温度时，材料沿切口收缩，使翅片朝向冷却来流的一侧形成开口；翅片在通孔周围局部采用温敏记忆材料，并在局部范围内开有若干切口，当材料的温度梯度达到或大于设定梯度值时，材料沿切口挤压变形形成开缝，翅片一侧气流能够经过开缝流入翅片另一侧。本发明提出的智能化自适性翅片通过在局部采用智能材料，可根据温度及温度梯度变化实现开口和开缝，能够在不同温度状态下，通过自适应材料转变为最佳结构，提高翅片的传热性能，以自动做到提高换热器的热交换率。

Description

智能化自适性翅片及翅片模块和在太阳能无人机上的应用

技术领域

本发明属于翅片换热器领域，具体涉及一种用于提高传热性能的智能化自适性翅片、智能化自适性翅片模块以及提高传热性能增加太阳能无人机能量利用效率的应用方法。

背景技术

太阳能无人机对于长航时的要求建立在太阳能电池的高效能量转换上，而在太阳能发电系统中，晶体硅电池在标准状况下(G0＝1 000W·m-2，t0＝25℃)的发电效率为12％～17％。而实际中，太阳能电池的发电效率要低很多，原因是一部分热量使得电池表面的温度升高。研究表明电池温度每升高1℃，发电效率下降0.5％。可见太阳能电池冷却的研究，对于提高发电效率和太阳能无人机的能量利用效率是很有意义的。

目前换热器的热阻主要由细管的空气侧控制，可占换热器总热阻的85％以上。因此改变翅片管结构表面的方法被广泛用于增强换热器的传热性能。例如，通常采用增加翅片表面积并加强气流干扰的方法，例如百叶窗和槽形结构以及波纹或波浪形翅片。此外，细管的结构参数，即翅片的厚度和节距，管的布置和类型也是影响空气侧传热性能的关键因素。

迄今为止，大多数研究都集中在改进的中断表面上，以提高换热器的传热性能。目前发现位于后部的条形翅片的传热性能比前部的翅片的传热性能更好。与弧形鳍相比，X型鳍具有更好的传热性能，这说明X型鳍减少的热边界层可以增强传热。此外，带钢角度和带钢长度等参数会影响热交换器的能耗和传热性能。但是，尽管在热交换器工作过程中传热条件发生了变化，但目前散热片的几何形状始终保持恒定。因此，不能很好地实现在相应的条件下翅片的最佳结构。

近来，如温敏形状记忆材料等智能材料已在材料科学中引起关注。智能材料的几何特性会随周围环境而变化，包括随温度变化而改变形状的温敏形状记忆材料，以及受温度梯度影响的温敏形状记忆材料。现如今，关于换热器中使用的智能材料(尤其是散热片)的研究尚未完全报道。研究在不同情况下智能材料做出相应变化以保证更优的传热性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于提高传热性能的智能化自适性翅片、智能化自适性翅片模块以及提高传热性能的方法，可有效解决上述问题。

本发明的技术方案为：

所述一种智能化自适性翅片，所述翅片为板状结构，翅片表面开有用于与散热管道配合安装的通孔和/或缺口；

其特征在于：

所述翅片在朝向冷却来流的一侧局部采用温敏记忆材料，并在所述局部范围内开有垂直于翅片边缘的切口，当所述温敏记忆材料自身温度低于设定温度时，所述温敏记忆材料沿切口收缩，使翅片朝向冷却来流的一侧形成开口；

所述翅片在用于与散热管道配合安装的通孔和/或缺口周围局部采用温敏记忆材料，并在所述局部范围内开有若干切口，当所述温敏记忆材料的温度梯度达到或大于设定梯度值时，所述温敏记忆材料沿切口挤压变形形成开缝，翅片一侧气流能够经过开缝流入翅片另一侧。

进一步的，所述一种智能化自适性翅片，在所述通孔和/或缺口周围布置的切口方向垂直于冷却来流方向。

进一步的，所述一种智能化自适性翅片，所述设定温度比冷却来流温度高3K到6K。

进一步的，所述一种智能化自适性翅片，在通孔和/或缺口周围局部的温敏记忆材料中，当所述温敏记忆材料的温度梯度达到或大于2K/mm时，所述温敏记忆材料沿切口挤压变形形成开缝。

进一步的，所述一种智能化自适性翅片，采用若干周期性的翅片单元拼接而成。

进一步的，所述一种智能化自适性翅片，利用不同区域所需材料，采用3D打印方式制备得到。

基于上述智能化自适性翅片的翅片模块，其特征在于：包括智能化自适性翅片、散热管道和翅片固定件；若干层翅片平行叠加布置并采用翅片固定件固定连接，且各层翅片通孔位置对齐，散热管道安装在翅片中的通孔中；相邻层翅片具有间隔供冷却来流通过。

进一步的，所述翅片模块，相邻层翅片之间间隔为0.8mm。

上述翅片模块在太阳能无人机中的应用方法，其特征在于：将翅片模块装配到太阳能无人机换热器表面，并且调整翅片模块安装方向使其中翅片朝向冷却来流的一侧对准太阳能无人机的迎风方向；在太阳能无人机飞行时，相邻两层翅片间形成流动通道；当翅片的传热性能较好时，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较小，翅片朝向来流的部位温度较高，此时翅片保持传统扁平翅片结构；而当翅片的传热性能下降后，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较大，翅片朝向来流的部位温度较底，接近来流温度，此时翅片变形，在朝向来流的局部形成开口，并在散热管道附近形成开缝，在开口区域，热流量降低缓慢，压降降低明显，能够提高整体传热性能，而在开缝区域热流量明显增加，也使整体传热性能得到提高。

有益效果

本发明提出的智能化自适性翅片通过在局部采用智能材料，并进行精细设计，可根据温度变化及温度梯度变化实现开口和开缝，从而能够在不同温度状态下，通过自适应材料转变为最佳结构，提高翅片的传热性能，以自动做到提高换热器的热交换率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提供的用于提高传热性能的翅片单元示意图；

图2为本发明提供的用于提高传热性能的翅片单元的局部放大图；

图3为本发明提供的智能化自适应翅片的俯视图；

图4为本发明提供的没有插散热管道的智能化自适应翅片模块的立体图；

图5为本发明提供的插有散热管道的智能化自适应翅片模块的立体图；

图6为本发明提供的插有散热管道的智能化自适应翅片模块的侧视图；

图7为本发明提供的单个翅片单元计算验证的计算域；

图8为本发明提供的单个翅片三种工况下的热流量和压降；

图9为本发明提供的单个翅片三种工况下的努赛尔数和摩擦系数；

图10为本发明提供的单个翅片三种工况下的传热系数及性能标准；

图11为本发明提供的单个翅片三种工况下的温度分布云图；

图12为本发明提供的单个翅片三种工况下的压力分布云图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供一种用于提高传热性能的智能化自适性翅片、智能化自适性翅片模块以及提高传热性能的应用方法能用于提高传热性能，从而增大太阳能电池的能量利用效率，提高太阳能无人机的续航时间。

(一)用于提高传热性能的智能化自适性翅片

本实施例中的智能化自适性翅片采用若干周期性的翅片单元拼接而成，翅片单元1如图1所示，为长方形板状结构，在翅片单元两侧带有半圆口3、4，用于与相邻翅片单元配合形成与散热管道2配合安装的通孔。

长方形翅片单元一角局部采用温敏记忆材料，当所述温敏记忆材料自身温度低于设定温度时，所述温敏记忆材料收缩。翅片单元与相邻翅片单元拼接时，将这种采用温敏记忆材料的一角相互拼接，这样在形成的翅片上，就表现为其朝向冷却来流的一侧局部采用温敏记忆材料，并在所述局部范围内开有垂直于翅片边缘的切口(两个翅片单元的拼接口)，当所述温敏记忆材料自身温度低于设定温度时，所述温敏记忆材料沿切口收缩，使翅片朝向冷却来流的一侧形成开口5。这里的设定温度与具体的冷却来流温度有关，一般选择比冷却来流温度高3K到6K，这个温差范围上限不能过高，过高后，会导致在翅片前部传热性能尚可的情况下发生开口变形，导致热流量降低较多，反而是传热性能下降，而下限也不能过低，过低后，会导致在翅片前部传热性能已经大幅下降后还没有触发开口变形，从而失去提高翅片传热性能的效果。

如图1和图2所示，在翅片单元的半圆开口周围局部也采用温敏记忆材料，在这个材料范围内开有6条沿半圆周向均匀分布，且相互平行的切口6，这种温敏记忆材料的特点是存储有应力应变，在温度梯度作用下能够释放，从而变形。所以，当所述温敏记忆材料的温度梯度达到或大于设定梯度值时，所述温敏记忆材料沿切口挤压变形形成开缝，使翅片单元两侧连通。如图3所示，对于拼接形成翅片后，各个通孔周围的切口相互平行，且都垂直于冷却来流方向，本实施例中，优选当所述温敏记忆材料的温度梯度达到或大于2K/mm时，所述温敏记忆材料沿切口挤压变形形成开缝，使翅片一侧气流能够经过开缝流入翅片另一侧。

由于这种智能化自适性翅片在不同区域采用不同材料，所以在制作时，我们可以采用3D打印等方式制备得到。

如图4，图5和图6所示，基于上述智能化自适性翅片的翅片模块包括智能化自适性翅片、散热管道2和翅片固定件7；若干层翅片平行等间隔叠加布置并采用翅片固定件固定连接，且各层翅片通孔位置对齐，散热管道安装在翅片中的通孔中；相邻层翅片具有间隔供冷却来流通过。本实施例中，相邻层翅片之间间隔为0.8mm。

上述翅片模块在太阳能无人机中应用时，将翅片模块装配到太阳能无人机换热器表面，并且调整翅片模块安装方向使其中翅片朝向冷却来流的一侧对准太阳能无人机的迎风方向；在太阳能无人机飞行时，相邻两层翅片间形成流动通道；当翅片的传热性能较好时，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较小，翅片朝向来流的部位温度较高，此时翅片保持传统扁平翅片结构；而当翅片的传热性能下降后，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较大，翅片朝向来流的部位温度较底，接近来流温度，此时翅片变形，在朝向来流的局部形成开口，并在散热管道附近形成开缝，在开口区域，热流量降低缓慢，压降降低明显，能够提高整体传热性能，而在开缝区域热流量明显增加，也使整体传热性能得到提高。这样翅片模块能够在不同温度状态下，通过自适应材料转变为最佳结构，以自动提高换热器的热交换率，增大太阳能无人机的能量利用效率。

下面给出本发明的计算分析：

图7展示了单个翅片单元的计算域，拥有2.44846×10⁶的网格量，运用SIMPLE算法以及二阶迎风方案将翅片与来流传热以及流动本身耦合在一起，求解了在不同边界条件下传热控制方程。

图8到图12显示了翅片管三种工况下的压降和传热性能的相关数据，其中三种工况分别为：无缝翅片(Case1)，带开口的无缝翅片(Case2)和带有开口的开缝翅片(Case3)。转换后的翅片几何形状的入口速度为2.5m/s。图8显示了三种情况下的热流量和压降的变化。Case3工况下的传热性能高于其他两个工况，而Case3中的压降也高于其他两个工况，这意味着高的热流量通常伴随着较高的压降。图9显示了三种情况下的努塞尔数和摩擦系数的变化，其趋势与热流量和压降一致。图10显示了传热系数和性能评估标准，表明Case3工况中的传热性能高于其他两个工况。这说明，当翅片温度变化时，具有智能自适应结构的翅片可以自动实现更好的传热性能。

图11至图12显示了上述三种工况下的温度和压力分布云图。散热管道的温度为313K，进气为303K，进气速度为2.5m/s。当翅片中的温度低于309K时，如图11Case2和Case3所示，在翅片中朝向进气方向的边缘局部形成开口。如图8所示，形成开口后，虽然热流量有所降低，但热流量降低缓慢，而压降降低明显，整体传热性能得到提高。当翅片散热管道周围的温度梯度超过2K时，由于翅片散热管道周围的温敏形状记忆材料内部存储有应变，此时储存的应变在温度梯度作用下释放，使得翅片散热管道周围的切口变形形成开缝，翅片一侧气流经过开缝流入翅片另一侧，从而在开缝后侧形成扰流，这样尽管开缝翅片的压降增加，但热流量也明显增加，从而整体传热性能得到提高。这些表明，通过使用开缝翅片，可以提高在细管后面的尾流区的热传递。因此，与扁平翅片相比，在这些区域可以清楚地观察到温度下降。

整体而言，采用本发明后，当翅片的传热性能较好时，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较小，翅片朝向冷却来流的部位温度较高，此时翅片保持传统扁平翅片结构，而当翅片的传热性能下降后，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较大，翅片朝向冷却来流的部位温度较底，接近冷却来流温度时，此时翅片变形，在朝向冷却来流的局部形成开口，在散热管道附近形成开缝；在开口区域，热流量降低缓慢，压降降低明显，能够提高整体传热性能，而在开缝区域热流量明显增加，也使整体传热性能得到提高。

本发明提供一种用于提高传热性能的智能化自适性翅片、智能化自适性翅片模块以及提高传热性能的方法，具有以下特点：

(1)本发明提供的智能化自适性翅片模块，由多个翅片按一定间隔组合，翅片单元为矩形板状结构，翅片单元的矩形上下关于中心对称有两个半圆口3、4，翅片之间通过半圆口3、4以圆形散热管道2穿插；

(2)本发明对翅片进行了精细设计，可根据温度变化，在温度低于设定温度时，所述翅片上会收缩产生开口5，在所述翅片上温度梯度超过2k时会在翅片上产生缝隙6而变为开缝翅片；每个翅片产生开口5的位置为太阳能无人机的迎风面；

(3)本发明利用智能材料中内部应变在工件加工过程中存储，储存的应变在一定条件下释放的特点，根据换热器表面温度分布不同，可使翅片自动转变为适合于当前温度分布的结构。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种智能化自适性翅片，所述翅片为板状结构，翅片表面开有用于与散热管道配合安装的通孔和/或缺口；

其特征在于：

所述翅片在朝向冷却来流的一侧局部采用第一温敏记忆材料，并在所述翅片在朝向冷却来流的一侧局部范围内开有垂直于翅片边缘的第一切口，当所述第一温敏记忆材料自身温度低于设定温度时，所述第一温敏记忆材料沿第一切口收缩，使翅片朝向冷却来流的一侧形成开口；

所述翅片在用于与散热管道配合安装的通孔和/或缺口周围局部采用第二温敏记忆材料，并在所述翅片在用于与散热管道配合安装的通孔和/或缺口周围局部范围内开有若干第二切口，当所述第二温敏记忆材料的温度梯度达到或大于设定梯度值时，所述第二温敏记忆材料沿第二切口挤压变形形成开缝，翅片一侧气流能够经过开缝流入翅片另一侧。

2.根据权利要求1所述一种智能化自适性翅片，其特征在于：在所述通孔和/或缺口周围布置的切口方向垂直于冷却来流方向。

3.根据权利要求1所述一种智能化自适性翅片，其特征在于：所述设定温度比冷却来流温度高3K到6K。

4.根据权利要求1所述一种智能化自适性翅片，其特征在于：在通孔和/或缺口周围局部的第二温敏记忆材料中，当所述第二温敏记忆材料的温度梯度达到或大于2K/mm时，所述第二温敏记忆材料沿第二切口挤压变形形成开缝。

5.根据权利要求1所述一种智能化自适性翅片，其特征在于：采用若干周期性的翅片单元拼接而成。

6.根据权利要求1所述一种智能化自适性翅片，其特征在于：利用不同区域所需材料，采用3D打印方式制备得到。

7.基于权利要求1所述智能化自适性翅片的翅片模块，其特征在于：包括智能化自适性翅片、散热管道和翅片固定件；若干层翅片平行叠加布置并采用翅片固定件固定连接，且各层翅片通孔位置对齐，散热管道安装在翅片中的通孔中；相邻层翅片具有间隔供冷却来流通过。

8.根据权利要求7所述翅片模块，其特征在于：相邻层翅片之间间隔为0.8mm。

9.权利要求7所述翅片模块在太阳能无人机中的应用方法，其特征在于：将翅片模块装配到太阳能无人机换热器表面，并且调整翅片模块安装方向使其中翅片朝向冷却来流的一侧对准太阳能无人机的迎风方向；在太阳能无人机飞行时，相邻两层翅片间形成流动通道；当翅片的传热性能较好时，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较小，翅片朝向来流的部位温度较高，此时翅片保持传统扁平翅片结构；而当翅片的传热性能下降后，表现为散热管道附近高温区的温度梯度较大，翅片朝向来流的部位温度较底，接近来流温度，此时翅片变形，在朝向来流的局部形成开口，并在散热管道附近形成开缝，在开口区域，热流量降低缓慢，压降降低明显，能够提高整体传热性能，而在开缝区域热流量明显增加，也使整体传热性能得到提高。

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