CN111397425A - 一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置 - Google Patents

一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置 Download PDF

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张小兵
谢鹏勇
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Abstract

本发明公开了一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，包括设置在冷却管道底面上的多个凸球面(3)和翅片(4)，所述多个凸球面(3)和翅片(4)依次间隔布置，所述凸球面(3)的表面开设有凹槽。本发明采用开凹槽凸球面和翅片间布式分布的结构，换热介质在流动扰动区域(受热区域)流经凸球面和凹槽时，流体在凸球面上部流动会分离，凹槽破坏凸球面附近的流动边界层，会形成流动横向的扰动，同时凸球面会形成纵向扰动，促进中心冷流体与热壁面的高温流体间的热交换，更好的利用流体的热沉，在保证减小压降的同时达到强化传热的目的。

Description

一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置。
背景技术
超高声速的飞行器面临着巨大的热防护压力，随着速度越来越快，热防护问题也越来越凸显。一般情况下，高超声速超燃冲压发动机燃烧室壁遭受着极高的温度与热流密度，可达0.8-160MW/m2。随着发动机燃烧室温度越来越高，并且发动机尺寸的小型化，相应的壁面冷却通道尺寸也会越来越小，因此新的维持壁面较低温度的冷却结构与装置必须被研究与应用，以保护过热的发动机燃烧室壁。此外，单面加热容易引起局部传热恶化，导致热分层现象，不利于传热性能。传统的发动机燃烧室壁的冷却结构通道因为尺寸小，热流密度大，主要通过提高冷却介质的流速与改变冷却通道的截面尺寸来实现强化传热，然而这会带来新的问题，并且在实际过程中受到多种限制，例如流速不能过高，过高的流动速度意味着额外的能量消耗，这会引起这个发动机性能下降，同时尺寸因素影响也是有限的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强换热能力的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置。
本发明所采用的技术方案是：一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，包括设置在冷却管道底面上的多个凸球面和翅片，所述多个凸球面和翅片依次间隔布置，所述凸球面的表面开设有凹槽。
进一步地，所述凹槽的开设方向与流体的流动方向垂直。
进一步地，所述凸球面的高度为冷却管道当量直径的10％。
进一步地，所述凹槽的深度为所述凸球面高度的1/2。
进一步地，所述翅片为长方体形。
进一步地，所述凸球面和翅片等间隔分布。
进一步地，所述凸球面和翅片位于管道底面的中央位置。
进一步地，所述冷却管道的截面为矩形。
进一步地，所述冷却管道的底面为冷热流体换热面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用开凹槽凸球面和翅片间布式分布的结构，可起到流动扰动作用，提高冷却流体与热壁面间的对流换热系数，换热介质在流动扰动区域(受热区域)流经凸球面和凹槽时，流体流动会被凸球面阻碍，并且在凸球面上部流动会分离，凹槽破坏凸球面附近的流动边界层，会形成流动横向的扰动，同时凸球面会形成纵向扰动，这样可以促进流体与换热面的强烈的热交换，同时翅片有较好的纵向扰动能力，增强流动换热能力，促进中心冷流体与热壁面的高温流体间的热交换，更好的利用流体的热沉，在保证减小压降的同时达到强化传热的目的。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置的纵向剖面图。
图2是本发明开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置的横向剖面图。
图3是本发明开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置的横截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
结合图1-3，一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，包括设置在冷却管道底面上的多个凸球面3和翅片4，所述多个凸球面3和翅片4依次间隔布置，所述凸球面3的表面开设有凹槽，设置有凸球面3和翅片4的区域为流动扰动区2，前后位流动发展区1。
优选地，所述凹槽的开设方向与流体的流动方向垂直。
优选地，所述凸球面3的高度为冷却管道当量直径的10％。
优选地，所述凹槽的深度为所述凸球面3高度的1/2。
优选地，所述翅片4为长方体形。
优选地，所述凸球面3和翅片4等间隔分布。
优选地，所述凸球面3和翅片4位于管道底面的中央位置。
优选地，所述冷却管道的截面为矩形。
优选地，所述冷却管道的底面为冷热流体换热面。
本发明采用开凹槽凸球面和肋片间布式分布的结构，主要解决的是单面传热问题，可起到流动扰动作用，提高冷却流体与热壁面间的对流换热系数，根据湍流强化传热的场协同原理可知，影响流动传热能力主要因素为流体流动方向与温度梯度方向的夹角，当流体温度梯度与流动速度方向之间的夹角减小时，换热能力增强，研究表明夹角为0时，换热能力最强。在本发明中，通过凸面凹槽与肋片的共同影响，扰动形成涡旋改变了原有的流体流速方向(主要是z方向)，由于通常情况下温度梯度方向主要为y方向，因此扰动形成的涡旋使得流速与温度梯度夹角减小，提高了换热能力。换热介质在流动扰动区域2(受热区域)流经凸球面和凹槽3时，流体流动会被凸球面阻碍，并且在凸球面上部流动会分离，凹槽破坏凸球面附近的流动边界层，会形成流动横向(即x方向)的扰动，同时凸球面会形成纵向(即y方向)扰动，这样可以快速速的将高温从热流体传递到中心的冷流体，促进流体与换热面的强烈的热交换，同时翅片有较好的纵向扰动能力，增强流动换热能力，促进中心冷流体与热壁面的高温流体间的热交换，有效的减弱了热分层带来的传热恶化问题，更好的利用流体的热沉，在保证减小压降的同时达到强化传热的目的。
本发明中两种湍流发生器的间布式分布，使得形成的涡旋互相影响。相比于凸面，翅片对于流动扰动更加明显，然而所形成的流动阻力也更大，同时在翅片根部容易形成传热恶化区域，较于单独凸球面结构，流动扰动增强，且凹槽破坏了球坑附近的流动边界层，促进边界层流体纵向横向扰动，使流体与热壁面换热增强，因此本发明采用了开凹槽的凸球面与翅片复合的结构可以保证减小压降和实现强化传热的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，包括设置在冷却管道底面上的多个凸球面(3)和翅片(4)，所述多个凸球面(3)和翅片(4)依次间隔布置，所述凸球面(3)的表面开设有凹槽。
2.根据权利要求1所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述凹槽的开设方向与流体的流动方向垂直。
3.根据权利要求1或2所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述凸球面(3)的高度为冷却管道当量直径的10％。
4.根据权利要求3所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述凹槽的深度为所述凸球面(3)高度的1/2。
5.根据权利要求3所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述翅片(4)为长方体形。
6.根据权利要求4或5所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述凸球面(3)和翅片(4)等间隔分布。
7.根据权利要求6所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述凸球面(3)和翅片(4)位于管道底面的中央位置。
8.根据权利要求6所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述冷却管道的截面为矩形。
9.根据权利要求8所述的开凹槽凸球面和肋片间布式分布的复合换热装置，其特征在于，所述冷却管道的底面为冷热流体换热面。
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