CN111985048B - 超临界流体换热器通道结构的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，包括：首先构建换热器通道结构模型，换热器通道结构模型包括多个换热通道，建立描述换热器通道几何结构的数学模型，然后将换热通道划分为n个微元段，并计算每个微元段内的换热面积dA，针对每个微元段建立流动换热的控制方程，再计算获得每个微元段的热力参数，进而获得整个换热通道的综合性能参数；改变换热通道几何参数，重复上述计算过程，最后每个综合性能参数相互比较，选择综合性能参数最大值对应的通道结构作为最终的换热器通道结构。根据本发明实施例的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，可以优化超临界流体换热器通道结构，以获得轻质、高功率密度的换热装置。

Description

超临界流体换热器通道结构的优化设计方法

技术领域

本发明涉及能源的转化与高效利用技术领域，尤其是涉及一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法。

背景技术

随着高速飞行器飞行参数和性能的不断提升，飞行器的关键部件受到的热载荷越来越高，例如涡轮冲压组合发动机、超燃冲压发动机等，其燃烧室壁面和喷管壁面的燃气加热热流密度高于10⁶W/m²，需对其进行热防护或通过主动冷却以减小被动热防护材料的重量。另外，飞行器的长时间航行需要充足的电力，仅靠蓄电装置等的供电方式已不满足发展需求。若能将飞行器部件承受的热载荷转化为可利用的电能，则既可以缓解热防护的压力，也能够有效补充飞行器的电力短缺。

目前，在超临界CO₂布雷顿发电系统中常使用的是印刷电路板换热器(PrintedCircuit Heat Exchanger，PCHE)，对于地面发电系统而言，PCHE满足系统循环要求的紧凑、耐高温(>600℃)高压(>30MPa)等条件。但对于高超飞行器机载设备而言，PCHE仍然较重，紧凑度不高，从而使得超临界CO₂发电系统应用于高速飞行器的综合收益水平仍不能满足要求。对发展体积更小、重量更轻、紧凑度更高、综合换热能力更强且能够耐高温高压的换热器成为迫切要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，所述超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，可以优化超临界流体换热器通道结构，以获得轻质、高功率密度的换热装置。

根据本发明实施例的优化设计方法，所述优化设计方法包括：构建换热器通道结构模型，所述换热器通道结构模型包括多个换热通道，流体流进不同的所述换热通道内；建立所述换热器通道几何结构的数学模型，将所述换热通道沿所述流体流动的方向划分为n个微元段，并计算每个所述微元段的换热面积dA；针对每个所述微元段建立流动换热的控制方程；每个所述换热通道在水平面上的投影面积均为定值A，以及，所述流体进入所述换热通道的进口参数相同，根据建立的所述控制方程，计算每个所述微元段的热力参数，进而获得整个所述换热通道的综合性能参数；改变所述换热通道的几何参数，建立相应的数学模型和控制方程，以获得所述换热通道的综合性能参数；每个所述综合性能参数相互比较，选择所述综合性能参数最大值对应的所述换热通道结构作为最终的换热器通道结构。

根据本发明实施例的优化设计方法，通过将换热通道划分为n个微元段，并计算每个微元段的热力参数，可以提高对热器通道结构优化的精度；通过对进入每个换热通道内的冷流体、热流体的进口参数设为相同，可以保证实验过程中参数一致性，从而提高优化实验的准确性；通过对每个换热通道的综合性能参数比较，使得本申请的优化设计方法更实用。

另外，根据本发明的优化设计方法，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述换热器通道结构模型包括多个，每个所述换热器通道结构模型中的所述换热通道的长度L相等、通道深度d相等，每个所述换热通道的两端分别形成有第一端口和第二端口，不同所述换热器通道结构模型中的所述换热通道的所述第一端口的宽度a不相等、所述第二端口的宽度b不相等，其中，所述流包括冷流体和热流体，所述冷流体从所述第二端口进入所述换热通道以使所述换热通道构成冷流体通道，所述热流体从所述第一端口进入所述换热通道以使所述换热通道构成热流体通道，所述冷流体通道与所述热流体通道交替排布，且所述冷流体通道和所述热流体通道之间的厚度δ均匀。

可选地，所述第一端口的宽度a范围为：0～0.6mm，所述第第二端口的宽度b范围为：0～0.6mm。

进一步地，所述第一端口的宽度a和所述第第二端口的宽度b不相等时，所述换热通道形成为渐扩或渐缩的通道，根据所述换热通道的结构建立二维xy直角坐标系，以计算所述换热通道内每个所述微元段的第一宽度y₁和第二宽度y₂，其中，所述第一宽度y₁和所述第二宽度y₂分别满足：

式中，x表示所述微元段的长度，0<x<L；

然后根据每个所述微元段的所述第一宽度y₁和所述第二宽度y₂，计算每个所述微元段一侧的换热面积dA，所述换热面积dA满足：

式中，dx表示每个所述微元段的长度。

在本发明的一些实施例中，所述进口参数包括：进口温度T_in、进口压力P_in和进口流量q_m。

在本发明的一些实施例中，所述微元段内的热流密度、流速和所述冷流体与所述热流体的对流换热系数h_i。

可选地，计算每个所述微元段内所述冷流体或所述热流体的摩擦压降ΔP_i。

进一步地，计算每个所述换热通道的压降ΔP和平均对流换热系数h_ave，以得出每个所述换热通道换热的所述综合性能参数

在本发明的一些实施例中，计算每个所述换热通道换热的综合性能参数后，若相邻两个所述换热通道内流动不同的物态流体时，以变化大的所述物态流体流过的所述换热通道的所述综合性能参数

为评判依据；若相邻两个所述换热通道内流动相同的物态流体时，采用综合考评的方法，以计算所述换热通道结构的最优值。

在本发明的一些实施例中，在所述换热器通道结构模型中，多个所述换热通道呈多行多列分布，且处于同一行或列的所述换热通道内流动所述热流体或者所述冷流体。

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是根据本发明实施例的优化设计方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的优化设计方法的换热通道截面的二维xy直角坐标系的示意图；

图3是根据本发明实施例的优化设计方法的换热器通道结构模型的一种角度的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的优化设计方法的换热器通道结构模型的另一种角度的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的优化设计方法的换热器通道结构模型的换热通道的结构示意图；

图6是图5中A区域的放大图；

图7是根据本发明实施例的优化设计方法的换热器通道结构模型的热流体通道和冷流体通道的一种角度的结构示意图；

图8是根据本发明实施例的优化设计方法的换热器通道结构模型的热流体通道和冷流体通道的另一种角度的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的优化设计方法的换热器通道结构模型的单个换热通道结构的结构示意图；

图10是根据本发明实施例的优化设计方法的通道结构变化对流动换热的换热效果对比图；

图11是根据本发明实施例的换热器通道结构的一个实施例的流程图。

附图标记：

100：换热器通道结构模型；

1：换热通道；11：底板；12：换热肋片；

2：冷流体导入件；21：冷流体导入通道：

3：热流体导入件；31：热流体导入通道。

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，仅用于解释本发明，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”、“竖直”、“水平”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面参考图1-图11描述根据本发明实施例的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其中，超临界流体包括冷流体和热流体，冷流体和热流体的流动方向相反，以使冷流体和热流体形成对流，从而使得冷流体和热流体之间可以进行换热，进而使得换热后的热流体可以对发动机降温，以使发动机可以较稳定地工作，也可以提高发动机的使用寿命，从而使得装配有发动机的飞行器等装置可以较稳定地进行工作。

需要说明的是，沿冷流体或热流体流动方向换热流道的截面的形状和大小是保持不变的，这种换热通道1比较适用于物性不变化或者变化很小的工质，如液态水。对于超临界流体而言，由于其在流动换热过程中具有强变物性，因此，这种规则等截面通道结构削弱了流体物性与结构的耦合作用，最终导致流动换热性能降低。

如图1-图11所示，根据本发明实施例的优化设计方法包括：构建换热器通道结构模型100，换热器通道结构模型100包括多个换热通道1，流体流进不同的换热通道1内；建立换热器通道几何结构的数学模型，将换热通道1沿流体流动的方向划分为n个微元段，并计算每个微元段的换热面积dA；针对每个微元段建立流动换热的控制方程；每个换热通道1在水平面上的投影面积均为定值A，以及，流体进入换热通道1的进口参数相同，根据建立的控制方程，计算每个微元段的热力参数，进而获得整个换热通道1的综合性能参数；改变换热通道1的几何参数，建立相应的数学模型和控制方程，以获得换热通道1的综合性能参数；每个综合性能参数相互比较，选择综合性能参数最大值对应的换热通道1结构作为最终的换热器通道结构。

例如图3-图8所示换热器通道结构模型100，可以采用SolidWorks软件建立换热器通道结构模型100，也可以采用FLAC软件建立换热器通道结构模型100，当然还可以采用其他软件建立换热器通道结构模型100，这里不作限制，满足需要即可。另外，换热器通道结构模型100包括三维模型和二位模型，以方便后续的计算。

在所建立的换热通道1换热器通道结构模型100内包括多个换热通道1，在相邻的两个换热通道1内分别流经冷流体和热流体，以使冷流体和热流体在流动的过程中可以换热。其中，在热流体的流动方向上，换热通道1的截面逐渐减小，在冷流体的流动方向上，换热通道1的截面逐渐增大，由此，冷流体和热流体的流动方向相反，从而可以进一步提高冷流体对热流体的换热效率，同时，热流体在换热通道1流动时，换热通道1的横截面积逐渐减小，从而使得换热后的热流体在流动过程中可以保持其流动的压力，进而可以不用对热流体加压使其流动，保证流动强度，从而可以减低换热的难度，提高换热效率。

例如图2所示，建立换热通道1的几何结构数学模型，可以沿热流体流动的方向对换热通道1划分n个微元段，另外，也可以沿冷流体流动的方向对换热通道1划分n个微元段，由此，每个微元段的长度相同，但宽度不同，从而每个微元段的换热面积dA不同，因此，可以计算每个微元段的换热面积dA。其中，通过对换热通道1划分n个微元段，然后对每个微元段分别计算和研究，可以提高对热器通道结构优化的精度。

划分微元段后，根据每个微元段的换热面积dA，并建立冷流体和热流体换热的控制方程。

此外，约定建立的换热通道1的在水平面上的投影面积均为定值A，以及约定冷流体、热流体进入换热通道1的进口参数相同，也就是说，热流体分别进入多个换热通道1时，进入换热通道1时的进口参数(如：压力、流量等)相同，同理，冷流体分别进入多个换热通道1时，进入换热通道1时的进口参数相同，由此，可以保证实验过程中参数一致性，提高优化实验的准确性。

计算每个微元段的换热面积dA后，根据每个微元段的控制方程以计算每个微元段的换热的热力参数，计算出每个微元段的换热的热力参数后，可以对每个换热通道1内的微元段进行求和，并求每个换热通道1的平均换热能力，以得出每个换热通道1换热的综合性能参数。

此外，改变换热通道1的几何参数，换言之重新构建不同的尺寸的换热通道1模型，然后根据不同尺寸的换热通道1再进行建立相应的数学模型和控制方程，以获得换热通道1的综合性能参数；

通过建立并计算多个不同尺寸的换热器通道的综合性能参数，并对不同尺寸的换热器通道的综合性能参数进行比较，从而可以获得换热通道1的结构最优值，进而使得冷流体和热流体流经该最优换热通道1时，冷流体和热流体的换热效率最高。

根据本发明实施例的优化设计方法，通过将换热通道1划分为n个微元段，并计算每个微元段的热力参数，可以提高对热器通道结构优化的精度；通过对进入每个换热通道1内的冷流体、热流体的进口参数设为相同，可以保证实验过程中参数一致性，从而提高优化实验的准确性；通过对每个换热通道1的综合性能参数比较，使得本申请的优化设计方法更实用。

在本发明的一些实施例中，换热器通道结构模型100包括多个，每个换热器通道结构模型100中的换热通道1的长度L相等、通道深度d相等，每个换热通道1的两端分别形成有第一端口和第二端口，不同换热器通道结构模型100中的换热通道1的第一端口的宽度a不相等、第二端口的宽度b不相等，其中，冷流体从第二端口进入换热通道1以使换热通道1构成冷流体通道，热流体从第一端口进入换热通道1以使换热通道1构成热流体通道，冷流体通道与热流体通道交替排布，且冷流体通道和热流体通道之间的厚度δ均匀。

也就是说，可以建立多个换热器通道结构模型100，其中，每个换热通道1模型中的每个换热通道1的长度L相等、通道深度d相等，而不同换热通道1模型中的换热通道1的第一端口的宽度a不相等、第二端口的宽度b不相等，从而可以保证非研究的参数保持一致，而通过改变研究的参数以获得最优值，从而提高优化设计方法的准确性。

在一个示例中，冷流体通道和热流体通道的排布方式可以为：冷流体通道-热流体通道-冷流体通道-热流体通道，即冷流体通道和热流体通道交替排布。

在另一个示例中，冷流体通道和热流体通道的排布方式为：冷流体通道-热流体通道-热流体通道-冷流体通道。

还有一些示例中，冷流体通道和热流体通道的排布方式可以为：热流体通道-冷流体通道-冷流体通道-热流体通道。

由此，冷流体通道和热流体通道相邻排布，使得冷流体通道可以对热流体通道进行换热，从而实现对热流体的换热，从而使降温后的热流体可以较好地对发动机等结构降温。

此外，冷流体通道和热流体通道之间的厚度δ均匀，如图7所示，由此，可以较方便地计算每个微元段的热力参数，同时冷流体通道和热流体通道之间的厚度δ均匀，也可以较好地计算研究换热通道1的宽度对换热效率的影响。

在本发明的一个实施例中，换热器通道结构模型100为一个，在该换热通道1模结构模型内建立多个换热通道1，其中多个换热通道1的长度L相等、通道深度d相等，多个换热通道1中不同的热流体通道的第一端口的宽度a不相等、第二端口的宽度b不相等，从而可以保证非研究的参数保持一致，以更好的优化换热通道1的第一端口的宽度a和第二端口的宽度b对换热效率的影响。

可选地，第一端口的宽度a范围为：0～0.6mm，第二端口的宽度b范围为：0～0.6mm，也就是说，可以将第一端口的宽度a的取值限定在0～0.6mm之间，例如，宽度a的取值可以为0.2mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm等，这里不作限制。进一步，可以将第二端口的宽度b的取值限定在0～0.6mm之间，例如，宽度b的取值可以为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm等，这里不作限制。

进一步地，具体如图9所示，第一端口的宽度a和第第二端口的宽度b不相等时，换热通道1形成为渐扩或渐缩的通道，也就是说，当a>b时，换热通道1形成为渐缩的通道，当a<b时，换热通道1形成为渐扩的通道。

根据换热通道1的结构建立二维xy直角坐标系，如图2所示，x轴方向与换热通道1的长度L方向平行，y轴方向与换热通道1的宽度方向平行，且第一端口的一端位于xy直角坐标系的原点上，第一端口的另一端位于y轴的正半轴上，换热通道1的截面图2位于xy直角坐标系的第一象限内。

建立二位模型后，基于xy直角坐标系建立换热通道1的线性方程，以计算换热通道1内每个微元段的第一宽度y₁和第二宽度y₂，其中，第一宽度y₁和第二宽度y₂分别满足：

式中，x表示微元段的长度，0<x<L；

根据每个微元段的第一宽度y₁和第二宽度y₂，计算每个微元段的换热面积dA，换热面积dA满足：

式中，dx表示每个微元段的长度，即图2阴影部分的长度。

如图2所示，划分的微元段可以理解为等腰梯形，具体地，沿冷流体或热流体的流动方向将换热通道1划分n个微元段，为方便计算将第i个微元段的换热面积记为dA_i，i+1表示相对于i沿划分微元段方向的下一个微元段，即第i+1个微元段，

在本发明的一些实施例中，为公平的评价每一种通道结构对超临界流体对流换热的影响，约定渐缩和渐扩换热通道1在尺寸变化过程中保持对流换热面积A不变，即A＝(a+b)×L/2为恒定值。此外，还要约定超临界流体的进口参数相同，其中进口参数包括进口温度T_in、进口压力P_in和进口流量q_m等，但不限于此参数。

在本发明的一些实施例中，针对每个微元段建立数学模型后，对每个微元段建立热平衡方程组，以计算每个微元段的热力参数，热力参数包括：热流密度、流速和冷流体与热流体的对流换热系数h_i。

具体地，热平衡方程组包括：

q_i＝q_{m_hi}c_{p_hi}(t_hi-t_hi+1) (4)

q_i＝q_{m_ci}c_{p_ci}(t_ci-t_ci+1) (5)

q_i＝k_idA_i(t_{m_hi}-t_{m_ci}) (6)

上式中q_i为微元段内的热流密度，q_{m_ci}和q_{m_hi}分别为冷流体流量、热流体流量，c_{m_hi}和c_{m_ci}分别为热流体定压比热容和冷流体的定压比热容，t_{m_hi}和t_{m_ci}分别为热流体和冷流体通道的微元段中心节点处工质的温度。其中，k_i为第i个微元段内的换热系数，其计算式为：

式中，λ_s为冷流体通道和热流体通道道之间固体层的导热系数，δ为固体层的厚度，h_{r_i}为热流体通道对流换热系数，h_{c_i}为冷流体通道对流换热系数。对于超临界流体而言，流体的对流换热系数可采用下式计算：

上式中h为对流换热系数，λ为流体的导热系数，d_e为通道的当量直径，ρ_b为工质密度，ρ_w为以壁温参考的工质密度，v_b为流体工质的运动粘度，u_b为通道内工质流速。该公式取自文献[刘波.超临界压力流体在圆管内对流换热及热裂解研究[D].清华大学,2013.]，公式中其它符号参数的具体含义在该文献中有详细阐述，此处不再赘述。

可选地，计算每个微元段内冷流体或热流体的摩擦压降ΔP_i，其计算方式如下：

式中，f_i为第i微元段内的摩擦系数，对于超临界流体而言，可以采用下式计算：

f_wi＝(1.82IogRew-1.54)^-2 (14)

式中，Re_w是以壁温为特征雷诺数，G是质量流率。

进一步地，计算每个微元段内冷流体或热流体的摩擦压降ΔP_i后，再计算每个换热通道1的压降ΔP和平均对流换热系数h_ave，以得出每个换热通道1换热的综合性能参数

压降ΔP和平均对流换热系数h_ave计算数学模型如下：

上述方法可以获得任一换热通道1结构的性能评价参数。需要说明的是，上述所有公式及公式中涉及到的参数都是本工程领域研究人员所熟知的，可以在给定的换热通道1进口和出口条件下计算求解的。

计算每个换热通道1的压降ΔP和平均对流换热系数h_ave后，再计算每个换热通道1的综合性能参数

该综合性能参数

可以理解为换热通道1的换热效率。

在本发明的一些实施例中，计算每个换热通道1换热的综合性能参数后，若相邻两个换热通道1内流动不同的物态流体时，以变化大的物态流体流过的换热通道1的综合性能参数

为评判依据；若相邻两个换热通道1内流动相同的物态流体时，采用综合考评的方法，以计算换热通道1结构的最优值。

在一个示例中，相邻两个换热通道1内分别流动热流体和水时，那么以热流体的换热通道1的综合性能参数

为评判依据，通过对不同尺寸的热流体通道的综合性能参数

比较，选取综合性能参数

最高所对应的换热通道1的结构为最优结构。

在另一个示例中，相邻两个换热通道1内分别流动热流体和冷流体时，则可采用综合考评的方法，如计算热流体通道和冷流体通道的综合性能参数

选择综合性能参数

最大平均值所对应的换热通道1结构。或者，根据实际工况条件，仍选择一侧换热通道1的综合性能参数

作为主要考评标准，而另一侧换热通道1作为次要考评依据。

在本发明的一些实施例中，在换热器通道结构模型100中，多个换热通道1呈多行多列分布，且处于同一行或列的换热通道1内流动热流体或者冷流体。

在一个示例中，换热器通道结构模型100的同一行内的换热通道1均流动热流体和冷流体中的一种，在与该行换热通道1相邻的另一行的换热通道1均流动热流体和冷流体中的另一种。

在另一个示例中，换热器通道结构模型100的同一列内的换热通道1均流动热流体和冷流体中的一种，在与该列换热通道1相邻的另一列的换热通道1均流动热流体和冷流体中的另一种。

计算选择单通道模型，模型的材质假设为316L不锈钢，上下两个表面为面积相同的被加热表面，热流密度q_i＝600kW/m²。为保证结构变化情况下通道的加热量相同，模型的长度L＝200mm固定不变，令第一端口的宽度a与第二端口的宽度b之和为定值，即a+b＝0.6mm。流动工质为超临界CO₂，进口压力为8MPa，进口温度和壁面初温均为310K，超临界CO₂进口流量为q_m＝0.4g/s。

如图10为在加热条件下超临界CO₂在不同结构通道内的流动换热计算数据，综合性能参数

越大表示该结构下流体的流动换热性能越好，从图10中可以看出，对于等截面通道(d/a＝4，a＝b＝0.3mm)，超临界CO₂平均换热系数h_ave接近最低值，综合性能参数

也不是最大值。而当深宽比d/a＝5时(a＝0.24mm，b＝0.36mm)，虽然平均换热系数h_ave不是最大值，但综合性能参数

为最大值，表明该通道结构能够实现最好的流动换热综合性能。因此，选择参数为(a＝0.24mm，b＝0.36mm，d＝1.2mm)的结构作为目标换热器的通道结构。

参照图5和图6为换热器通道结构模型100的结构图。具体地，换热通道1包括：底板11和多个换热肋片12，多个换热肋片12均匀间隔开地设于底板11上，例如图3所示，换热肋片12大体沿F3方向延伸，且相邻的两个换热肋片12之间存在一定的夹角，使得相邻的两个换热肋片12在水平面的投影呈喇叭状。

在底板11的厚度方向上，底板11上各处的厚度δ相等，在换热肋片12的厚度方向上，换热肋片12各处的厚度相等，也就是说，底板11的厚度均匀，换热肋片12的厚度均匀，如此可以降低生产换热器的难度，提高生产效率。

当多个换热通道1叠置后，相邻的两个换热肋片12和相邻的两个换热肋片12之间的两个底板11限定出换热通道1，冷流体和热流体均适于沿换热通道1流动，且，在热流体的流动方向上，换热通道1的截面逐渐减小，在冷流体的流动方向上，换热通道1的截面逐渐增大，以使得换热通道1在水平投影形成为弧形面。

例如图5所示，换热通道1上的相邻的两个换热肋片12和底板11可以与叠放在该换热通道1上的另一换热通道1的底板11配合，从而可以限定出换热通道1，换热通道1的横截面积沿如图4和图5所示的F3方向上的一侧逐渐增大，换热通道1的横截面积沿F3方向上的另一侧逐渐减小，使得换热通道1在水平面的投影大体为喇叭形状。

进一步地，冷流体和热流体分别流经不同的换热通道1，而且超临界流体进入换热通道1上后，可以进入各个换热通道1，由此，超临界流体进入换热通道1上后可以分流，从而使得热流体通道内的热流体与冷流体通道内的冷流体充分换热，进而可以提高冷流体对热流体的换热效率。

更进一步地，热流体朝换热通道1的横截面积逐渐减小的方向流动，冷流体朝朝换热通道1的横截面积逐渐增大的方向流动。由此，冷流体和热流体的流动方向相反，从而可以进一步提高冷流体对热流体的换热效率，同时，热流体在换热通道1流动时，换热通道1的横截面积逐渐减小，从而使得换热后的热流体在流动过程中可以保持其流动的压力，进而可以不用对热流体加压使其流动，保证流动强度，从而可以减低换热的难度，提高换热效率。

其中，相邻行或列换热通道1上的冷流体和热流体之间可以进行换热，而相同行或列的换热通道1上的热流体或冷流体也可以进行换热，相同行或列换热通道1上的相邻两个换热通道1中的热流体或冷流体可以通过换热肋片12进行换热，从而使得从多个换热通道1流出的热流体或冷流体的温差较小。由此，换热肋片12的厚度均匀，可以提高同一行或列内的不同换热通道1内超临界流体之间的换热效果和换热效率。

需要说明的是，相关技术中，在换热通道1的横截面积逐渐减小的方向上，换热肋片12的厚度逐渐增大，而换热肋片12的厚度逐渐增大，使得相邻两个换热通道1的热流体或冷流体换热效率低。另外，较厚的换热肋片12也会增加换热器的重量。同时较厚的换热肋片12还占更多的空间，从而使得换热器的整体体积较大。当将换热器设于飞行器上后，换热器占据较大空间会影响其他结构的安装设置，而较重的换热器会增加飞行器的飞行负担。

在本发明的一些实施例中，每个换热通道1的底板11形成为弧形板，底板11形成为弧形板的换热通道1适于沿第一方向叠置，以构成换热器通道结构模型100，也就是说，如图3所示，换热通道1的底板11在水平投影可以为圆弧形，换热肋片12可以沿弧形的径向方向延伸，而多个换热肋片12可以均匀间隔开设于底板11上，换热肋片12沿弧形的径向方向向外延伸时，相邻两个换热肋片12之间的距离逐渐增大。多个换热通道1沿F1方向堆叠在一起后，使得在同一层流动的超临界流体性质相同，具体而言，在同一层换热通道1流动的均为热流体或冷流体，由此，可以减小换热通道1的换热肋片12的厚度，以提高同层超临界流体的换热效果，同时降低换热器的重量。

另外，通过将换热通道1的底板11形成为弧形板，使得换热通道1堆叠后，换热器通道结构模型100在水平面的投影为弧形，相比与矩形状的换热器通道结构模型100，弧形的换热器通道结构模型100的体积较小、重量较低，以使换热器可以满足飞行器对其的装配要求。

进一步地，多个换热通道1沿第一方向叠置时，沿第一方向排布的多个换热通道1对齐，例如图3所示，不同换热通道1在F1方向上需要对齐。例如，热流体和冷流体分别流经在F1方向上相邻的两个换热通道1，通过将不同层的换热通道1在在F1方向上需要对齐，使得流经冷流体的换热通道1与流经热流体的换热通道1可以充分接触，从而通过两个换热通道1之间的底板11进行换热，从而可以提高换热效率和换热效果。

在本发明的另一些实施例中，每个换热通道1的底板11形成为矩形板，底板11形成为矩形板的换热通道1适于沿第二方向叠置，以构成换热器通道结构模型100，第一方向和第二方向之间大体垂直，也就是说，换热通道1在竖直面上的投影为矩形，换热肋片12在水平面上的投影为喇叭状，换热通道1开口朝向F2方向，通过将多个换热通道1沿F2方向堆叠，使得换热通道1的底板11可以密封与其相邻的换热通道1开口，从而使得超临界流体可以沿换热器通道结构模型100的宽度方向流通。多个换热通道1沿F2方向堆叠后，使得换热器通道结构模型100在水平方向的投影为弧形面，从而使得换热器的整体结构紧凑。

进一步地，多个换热通道1沿第二方向叠置时，沿第二方向排布的多个换热通道1对齐，也就是说，多个换热通道1沿F2方向堆叠后，形成的换热器通道结构模型100的每层的换热通道1对齐，具体而言，换热器通道结构模型100中的多个换热通道1在F1和F2方向上分别对齐，从而使换热器通道结构模型100的外观层蜂窝状。

换热通道1设于飞行器上后，换热通道1可以对流经的热流体进行换热降温，如图11所示，热流体换热后流向发动机，对发动机吸热，使发动机降温，热流体吸热后流向发电系统，以使热流体中的热载荷转化为电能，如此不仅可以缓解热防护的压力，也能够有效补充飞行器的电力短缺。

在本发明的一些实施例中，换热器通道结构模型100还包括：冷流体导入件2和热流体导入件3。具体地，冷流体导入件2设于换热通道1的冷流体进口的一侧，冷流体导入件2朝向每个换热通道1输入冷流体的方向，与每个换热通道1之间均形成有夹角，热流体导入件3设于换热通道1的热流体进口的一侧，热流体导入件3朝向每个换热通道1输入热流体的方向，与每个换热通道1之间均形成有夹角。

例如图3所示，冷流体导入件2设于换热通道1在F3方向的一侧上，冷流体可以通过冷流体导入件2进入换热通道1内，从而使得冷流体导入件2可以对冷流体导向，以使冷流体沿既定的方向进行流动。

例如图4所示，热流体导入件3设于换热通道1在F3方向的另一侧上，热流体可以通过热流体导入件3进入换热通道1，从而使得热流体导入件3可以对热流体导向，以使热流体沿既定的方向进行流动进入换热通道1。

由此，通过将冷流体导入件2和热流体导入件3分别设于换热通道1相对的两侧上，使得冷流体和热流体进入换热通道1后，冷流体和热流体流动的方向相反，从而可以提高冷流体对热流体的换热效果。

进一步地，冷流体导入件2包括多个冷流体导入通道21，每个冷流体导入通道21与冷流体流经的每层的多个换热通道1连通，热流体导入件3包括多个热流体导入通道31，每个热流体导入通道31与热流体流经的每层的多个换热通道1连通。

在本发明的一些实施例中，换热通道1的加工方式为：光化学刻蚀、激光线切割和3D打印技术中至少一种，也就是说，换热通道1的加工方式可以为光化学刻蚀、激光线切割和3D打印技术中一种，也可以为光化学刻蚀、激光线切割和3D打印技术中两种配合，还可以是光化学刻蚀、激光线切割和3D打印技术三种结合。可以理解的是换热通道1的加工方式还可以为其他加工方式，不作限制。

根据本发明实施例的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“可选地”、“进一步地”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括：

构建换热器通道结构模型，所述换热器通道结构模型包括多个换热通道，流体流进不同的所述换热通道内；

建立所述换热器通道几何结构的数学模型，将所述换热通道沿所述流体流动的方向划分为n个微元段，并计算每个所述微元段的换热面积dA；

针对每个所述微元段建立所述流动换热的控制方程；

每个所述换热通道在水平面上的投影面积均为定值A，以及，所述流体进入所述换热通道的进口参数相同，

根据建立的所述控制方程，计算每个所述微元段的热力参数，进而获得整个所述换热通道的综合性能参数；

改变所述换热通道的几何参数，建立相应的数学模型和控制方程，以获得所述换热通道的综合性能参数；

每个所述综合性能参数相互比较，选择所述综合性能参数最大值对应的所述换热通道结构作为最终的换热器通道结构；

所述换热器通道结构模型包括多个，每个所述换热器通道结构模型中的所述换热通道的长度L相等、通道深度d相等，每个所述换热通道的两端分别形成有第一端口和第二端口，不同所述换热器通道结构模型中的所述换热通道的所述第一端口的宽度a不相等、所述第二端口的宽度b不相等，

其中，所述流包括冷流体和热流体，所述冷流体从所述第二端口进入所述换热通道以使所述换热通道构成冷流体通道，所述热流体从所述第一端口进入所述换热通道以使所述换热通道构成热流体通道，所述冷流体通道与所述热流体通道交替排布，且所述冷流体通道和所述热流体通道之间的厚度δ均匀；

所述第一端口的宽度a和所述第二端口的宽度b不相等时，所述换热通道形成为渐扩或渐缩的通道，根据所述换热通道的结构建立二维xy直角坐标系，以计算所述换热通道内每个所述微元段的第一宽度y₁和第二宽度y₂，其中，所述第一宽度y₁和所述第二宽度y₂分别满足：

式中，x表示所述微元段的长度，0<x<L；

根据每个所述微元段的所述第一宽度y₁和所述第二宽度y₂，计算每个所述微元段的换热面积dA，所述换热面积dA满足：

式中，dx表示每个所述微元段的长度。

2.根据权利要求1所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，所述第一端口的宽度a范围为：0～0.6mm，所述第二端口的宽度b范围为：0～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，所述进口参数包括：进口温度T_in、进口压力P_in和进口流量q_m。

4.根据权利要求1所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，所述热力参数包括：热流密度、流速和所述冷流体与所述热流体的对流换热系数h_i。

5.根据权利要求4所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，计算每个所述微元段内所述冷流体或所述热流体的摩擦压降ΔP_i。

6.根据权利要求5所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，计算每个所述换热通道的压降ΔP和平均对流换热系数h_ave，以得出每个所述换热通道换热的所述综合性能参数

7.根据权利要求1所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，

计算每个所述换热通道换热的综合性能参数后，

若相邻两个所述换热通道内流动不同的物态流体时，以变化大的所述物态流体流过的所述换热通道的所述综合性能参数

为评判依据，

若相邻两个所述换热通道内流动相同的物态流体时，采用综合考评的方法，以计算所述换热通道结构的最优值。

8.根据权利要求1所述的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，其特征在于，在所述换热器通道结构模型中，多个所述换热通道呈多行多列分布，且处于同一行或列的所述换热通道内流动所述热流体或者所述冷流体。

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