CN111397426A - 一种减弱管道截面热分层的强化传热装置 - Google Patents

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张小兵
谢鹏勇
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Abstract

本发明公开了一种减弱管道截面热分层的强化传热装置，管道内的冷却通道的内壁上设置有若干按照一定顺序和间隔组合的相同的翅片和凸面涡流发生器，翅片和凸面涡流发生器包括在管道的底面上设置的多个凸面结构和在两个侧面、顶面上设置的多个翅片结构，设置有翅片和凸面涡流发生器的部分为流动扰动区，其前后部分为流动发展区，冷却流体经过流动发展区，进入流动扰动区，当流体通过翅片结构和凸面结构时会发生强烈的横向和纵向扰动，形成二次流，促进了冷热流体的热交换，最终较好的解决热分层问题。

Description

一种减弱管道截面热分层的强化传热装置
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种减弱管道截面热分层的强化传热装置。
背景技术
飞行器飞行速度越来越高,尤其是在超音速和高超音速飞行下,发动机燃烧室室壁遭受了极高的热流密度和温度。冷却的问题是发动机面临的一个关键问题，这限制了发动机的性能。发动机壁面是单面受热，冷却单元为单面受热的矩形结构，面临着严重的热分布不均匀问题，极高的不均匀度分布严重制约着该发动机燃烧室壁的冷却性能。
发动机燃烧室壁面的冷却通道通常是微小的矩形通道，传统的通道结构为矩形的光滑通道，由于矩形通道的单侧受热问题，且壁面冷却通道尺寸非常小达到毫米级，在横截面会形成严重的热分层问题，加快流速和增加热壁面扰动能够有效解决换热能力低的问题，但是不能很好解决热分层问题。而热分层往往是冷却性能评价的一个关键性问题，它能够带来局部传热恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强换热能力并能够减弱管道截面热分层的强化传热装置。
本发明所采用的技术方案是：一种减弱管道截面热分层的强化传热装置，包括在管道的底面、顶面和两个侧面中的一个面上设置的至少一个凸面结构和在剩下三个面的每个面上设置的至少一个翅片结构。
进一步地，所述凸面结构设置在管道的底面。
进一步地，每个面上的凸面结构和翅片结构均为多个，且数量相同。
进一步地，所述凸面结构为圆弧凸面。
进一步地，所述翅片结构为长方体形。
进一步地，所述圆弧凸面的高度为H，H为管道当量直径的10％，所述圆弧凸面在底面的投影的半径为r，且H/2r的值为0.2。
进一步地，所述长方体形在流动方向的厚度为0.2mm，底面宽度为0.5mm，高度为h，h为管道当量直径的10％。
进一步地，每个面上的凸面结构和翅片结构均为等间距排列。
进一步地，所述间距与管道的当量直径相等。
进一步地，所述管道的截面为矩形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用翅片与凸面相结合的复合式冷却结构，由于翅片传热效率远远大于冷却剂，因此可以快速地将热量传递到中心的冷流体，使得中心冷流体能与热壁面进行快速的热交换，同时侧壁面上的翅片结构使得流体流动产生横向的扰动即横向扰动，由于翅片位于侧壁面，高度方向为横向，因此当流体流过翅片结构时会形成横向的流动扰动，即扰动方向垂直于侧壁面，凸面结构形成的为垂直于底面的纵向的流动扰动，两个方向的流动扰动相互影响，共同作用促进冷热流体以及热壁面间的热交换，从而提高换热能力，并且该结构能够有效减低截面温度不均匀分布，因此可以减弱管道截面热分层。
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是本发明减弱管道截面热分层的强化传热装置的纵向剖面图。
图2是本发明减弱管道截面热分层的强化传热装置的横向剖面图。
图3是本发明减弱管道截面热分层的强化传热装置的横截面图。
图4是翅片结构的结构示意图。
图5是凸面结构的结构示意图。
图6是翅片结构和凸面结构的x-y平面的流动涡旋图。
图7是凸面结构的x-y平面的流动涡旋图。
图8是翅片结构和凸面结构的x-z平面的流动涡旋图。
图9是凸面结构的x-z平面的流动涡旋图。
图10是热壁面温度分布比较图。
图11是截面温度不均匀分布比较图。
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1-3，一种减弱管道截面热分层的强化传热装置，管道内的冷却通道的内壁上设置有若干按照一定顺序和间隔组合的相同的翅片和凸面涡流发生器，翅片和凸面涡流发生器包括在管道的底面上设置的多个凸面结构4和在两个侧面、顶面上设置的多个翅片结构3。设置有翅片和凸面涡流发生器的部分为流动扰动区2，其前后部分为流动发展区1，冷却流体经过流动发展区1，进入流动扰动区2，当流体通过翅片结构3和凸面结构4时会发生强烈的横向和纵向扰动，形成二次流，促进了冷热流体的热交换，最终较好的解决热分层问题。
优选地，每个面上的凸面结构4和翅片结构3均为多个，且数量相同。
优选地，结合图5，所述凸面结构4为圆弧凸面，所述圆弧凸面的高度为H，H为管道当量直径的10％，R为凸面所在球的半径，所述圆弧凸面在底面的投影的半径为r，且H/2r的值为0.2，图2中的Ds＝2r。
优选地，结合图4，所述翅片结构3为长方体形，所述长方体形在流动方向的厚度为0.2mm，底面宽度为0.5mm，高度为h，h为管道当量直径的10％。经过广泛的研究发现对于流动边界层的破坏和扰动是最为理想的，能够实现更好的流动传热的增强，但随着翅片和凸面的高度增加，流动热边界层被破坏，尽管边界层扰动增强了流动传热，然而相应的流动压降也会增大，同时翅片过高会造成翅片底部局部传热恶化，并且不能由于边界层厚度是有限的，当高度超过或者低于边界层厚度，都不能明显起到破坏边界层的作用。经过数值传热计算分析和实验验证，表明翅片和凸面的高度为管道当量直径的10％换热效果最好。
优选地，每个面上的凸面结构4和翅片结构3均为等间距排列。
优选地，所述间距d与管道的当量直径相等。
优选地，所述管道的截面为矩形。
本发明采用翅片与凸面相结合的复合式冷却结构，由于翅片传热效率远远大于冷却剂，因此可以快速地将热量传递到中心的冷流体，使得中心冷流体能与热壁面进行快速的热交换，同时侧壁面上的翅片结构使得流体流动产生横向(即图1-3中的x方向)的扰动即横向扰动，由于翅片位于侧壁面，高度方向为横向，因此当流体流过翅片结构时会形成横向的流动扰动，即扰动方向垂直于侧壁面，凸面结构形成的为垂直于底面的纵向(即图1-3中的y方向)的流动扰动，两个方向的流动扰动相互影响，共同作用促进冷热流体以及热壁面间的热交换，从而提高换热能力，并且该结构能够有效减低截面温度不均匀分布，因此可以减弱管道截面热分层。
图6是翅片结构和凸面结构的x-y平面的流动涡旋图，图7是凸面结构的x-y平面的流动涡旋图，图8是翅片结构和凸面结构的x-z平面的流动涡旋图，图9是凸面结构的x-z平面的流动涡旋图。可以观察到，本发明对于流动的扰动更明显，并且翅片形成的横向(x方向)可以更好的促进侧壁面与中心流体的热交换，并且在翅片的作用下，可以增强因球凸面形成的纵向漩涡流。
图10是热壁面温度分布比较图，Tw为热壁面温度，此图表征了三种结构下，热壁面中心温度沿z轴(流动)方向的变化，翅片与球面复合结构热壁面温度最低，效果最好，图11是截面温度不均匀分布(即β)比较图，β能由公式1获得，Tf,max,Tf,min和Tf,avg分别表示截面流体的最高温度，最低温度和平均温度，结果显示本发明对于截面温度不均匀性有很强的减弱效果。
β＝(Tf，max-Tf,min)/Tf,avg (1)
翅片结构能够快速将高温传递给中心的冷流体，从而实现温度热量的均匀性分布，这两种扰动综合作用下实现了换热能力的增强，对于流动阻力影响较小，同时均匀性分布更好，并且显著提高换热能力，降低热壁面的温度，减弱了热分层可能带来的传热恶化问题。
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 (10)

1.一种减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，包括在管道的底面、顶面和两个侧面中的一个面上设置的至少一个凸面结构(4)和在剩下三个面的每个面上设置的至少一个翅片结构(3)。
2.根据权利要求1所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述凸面结构(4)设置在管道的底面。
3.根据权利要求1或2所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，每个面上的凸面结构(4)和翅片结构(3)均为多个，且数量相同。
4.根据权利要求3所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述凸面结构(4)为圆弧凸面。
5.根据权利要求4所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述翅片结构(3)为长方体形。
6.根据权利要求5所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述圆弧凸面的高度为H，H为管道当量直径的10％，所述圆弧凸面在底面的投影的半径为r，且H/2r的值为0.2。
7.根据权利要求6所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述长方体形在流动方向的厚度为0.2mm，底面宽度为0.5mm，高度为h，h为管道当量直径的10％。
8.根据权利要求4-7任一项所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，每个面上的凸面结构(4)和翅片结构(3)均为等间距排列。
9.根据权利要求8所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述间距与管道的当量直径相等。
10.根据权利要求8所述的减弱管道截面热分层的强化传热装置，其特征在于，所述管道的截面为矩形。
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