CN113225997A - 一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，属于强化冲击换热领域；包括冲击板、冲击孔和冲击靶板，还包括设置于冲击靶板上的多级圆柱形凸台，所述多级圆柱形凸台与冲击板上的冲击孔同轴相对设置；所述多级圆柱形凸台为阶梯柱状结构，位于底部的圆柱凸台为第一级凸台，直径为D1，从底部到顶部各级圆柱凸台直径递减；所述冲击孔的直径为D。圆柱形的多级凸台使得冷气相较于平板冲击换热结构的压力损失变化不大，可保证在5％以内，但换热系数明显增大，在冲击雷诺数Re取22500时，无量纲范围X/D＝1，3，5内(D为冲击孔直径)，换热系数增幅为51.74％，36.30％，29.22％。即在冲击冷气流量变化不大的基础上，增大了换热面积和换热系数，从而提了冲击换热性能。

Description

一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构
技术领域
本发明属于强化冲击换热领域，具体涉及一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构。
背景技术
电子设备已经成为当今人们生活中的必需品，其内部的电子元件，尤其是大功率电子元件，在工作状态下会产生大量的热，需要及时对其进行散热，防止大功率电子元件温度过高而降低工作效率，影响工作寿命。因此，需要研究高效散热技术，确保大功率电子元件及时散热，提高工作性能。
在所有的换热技术中,冲击换热时流体直接冲击靶板，形成的边界层薄，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果。冲击换热是目前换热效果最强的换热方式，如何提高冲击换热的性能一直是传热学研究的热点之一。常见的强化方法有改变喷嘴或冲击孔的形状、研究最佳的冲击距与冲击孔直径比、采用带有肋结构的肋形面、在靶板上开气膜孔、采用新型换热工质，如采用纳米流体等、在靶板上布置凸起结构或凹槽等。现有在靶板上布置的凸起结构多为各种肋，通常可以增强扰动，增大换热面积，改变射流和横流的流动状态。但是在布置凸起肋之后，虽然增大了换热面积，因此增大了换热系数，但同时也产生了更大的压力损失，使得相同压差下冲击换热流量减小，并且肋还会阻挡冷却射流冲击到靶板上肋片底部附近的区域，因此，需要研究如何在增大换热系数的同时，保持压力损失不变以保证冲击换热流量不变，且改善流场，以确保总体换热性能增强。
Qiu Shuxia等研究了带肋片的靶板冲击换热结构的换热特性，讨论了射流雷诺数和几何构型的影响，结果表明：带肋的靶板冲击换热结构与光滑靶板的冲击换热结构相比，换热性能得到了改善。具体的肋片形状及冲击换热结构如图1所示，肋片结构增大了换热面积，但随着肋片的宽和高的增大，肋片宽度增加会阻挡冲击到靶板上肋片底部附近的冷却射流，从而减少翅片两侧的对流传热，肋片高度增大会导致压力损失增大，在相同的压差下，冲击换热流量减小，因此虽然肋顶端的换热增强，但肋底部的换热被削弱。
相关文献如下：
Qiu Shuxia,Xu Peng,Geng Liping,et al.Enhanced heat transfercharacteristics of conjugated air jet impingement on a finned heat sink[J].Thermal Science Journal,2017,21(1Part A):279-288.
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，通过在靶板上设置多级圆柱形凸台，并与冲击孔同轴相对，冷气由冲击孔射出，垂直射向冲击靶板，加设在靶板上的多级圆柱形凸台正对于冲击孔中心位置。多级圆柱形凸台的存在减小了冲击距，增大了换热面积，以达到增大换热量，强化换热效果的目的，凸台为圆柱结构可尽可能减小流动损失。同时，分级的凸台限制了边界层沿着凸台侧壁方向的发展，使得边界层相比不分级的凸台的情况变薄，从而强化了换热。
本发明的技术方案是：一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，包括冲击板、设置于冲击板上的冲击孔和冲击靶板，其特征在于：还包括设置于冲击靶板上的多级圆柱形凸台，所述多级圆柱形凸台与冲击板上的冲击孔同轴相对设置；
所述多级圆柱形凸台为阶梯柱状结构，位于底部的圆柱凸台为第一级凸台，直径为D1，从底部到顶部各级圆柱凸台直径递减；所述冲击孔的直径为D。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离H，H＝2D～4D。
本发明的进一步技术方案是：所述冲击板厚度与冲击距离H的比值为0.15～0.2。
本发明的进一步技术方案是：所述多级圆柱形凸台的总轴向高度为h，h＝H/3～2H/3。
本发明的进一步技术方案是：所述多级圆柱形凸台的凸台级数为N，N＝3～5。
本发明的进一步技术方案是：所述多级圆柱形凸台中每一单级凸台的高度均取h/N，第一级凸台的直径D1与冲击孔直径D的比值为1,第N级凸台直径DN＝DN-1/2。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，即在冲击靶板上加设多级圆柱形凸台结构，本发明的优势如下：
1.较平板换热而言，带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，由于加设了凸台，冲击孔到各级凸台水平表面的距离相较于到冲击靶板的距离更小，即减小了冲击距，从而使凸台水平表面的换热增强。
2.较平板换热而言，多级圆柱形凸台的侧面为多出的换热面积，带多级圆柱形凸台的冲击换热结构的换热面积增大，从而增强了冲击换热结构的换热性能。
3.多级圆柱形凸台结构破坏了边界层沿着凸台侧面的发展，相较于不分级的凸台结构或肋片，边界层总体更薄，在边界层发展的初始阶段，边界层较薄，换热系数更高，分级之后获得了多段较薄边界层的区域，因此换热系数相较于不分级的凸台结构或肋片更高。
4.对于平板冲击换热结构，冷气从冲击孔喷射出，垂直冲击到靶板上，在驻点及周围区域形成较薄的边界层，获得高换热区域，之后冷气向冲击区域外围扩散，边界层逐渐增厚，换热效果逐渐减弱。带多级圆柱形凸台的结构增强了气体的扰动，提高了局部的湍流度，从而增强了靶板整体的换热效果。
5.圆柱形凸台结构使得冷气的压降相较于平板结构基本持平，在获得更高的换热系数的同时没有增大压降，即保证了在相同的压差情况下，流量基本保持不变。即保证了与平板换热结构流量相差不大，换热系数有明显的增大，从而提升了换热性能。
本发明是一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，即在冲击靶板上加设多级圆柱形凸台，与平板冲击靶板结构提相比，圆柱形的多级凸台使得冷气相较于平板冲击换热结构的压力损失变化不大，可保证在5％以内，但换热系数明显增大，在冲击雷诺数Re取22500时，无量纲范围X/D＝1，3，5内(D为冲击孔直径)，换热系数增幅为51.74％，36.30％，29.22％。即在冲击冷气流量变化不大的基础上，增大了换热面积和换热系数，从而提了冲击换热性能。可应用于大功率电子元件的散热中，提高散热性能，使大功率电子元件保持合适的工作温度提高工作效率和使用寿命。
附图说明
图1为背景技术中带肋片的靶板冲击换热结构的示意图。
图2为本发明一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构的正视图。
图3为本发明一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构的俯视图。
图4为本发明一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构的剖面图。
图5为本发明一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构的轴测图。
图6为本发明一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构中冲击靶板的轴测图。
图7为本发明实施例一中Re＝11250时带凸台结构与平板结构对比图，图中T0为平板结构温度，h0为平板结构换热系数，Δp0为平板结构压力损失。
图8为本发明实施例二中Re＝22500时带凸台结构与平板结构对比图，图中T0为平板结构温度，h0为平板结构换热系数，Δp0为平板结构压力损失。
图9为本发明实施例三中90m/s有无凸台的对比图，图中T0为平板结构温度，h0为平板结构换热系数，Δp0为平板结构压力损失。
附图标记说明：1为冲击板，2为冲击孔，3为冲击靶板，4为第一级圆柱形凸台，5为第二级圆柱形凸台，6为第三级圆柱形凸台。
具体实施方式
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。
本实施是一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构。通过在冲击靶板上加设多级圆柱形凸台，增大了靶板的换热面积，且减小了多级凸台表面的冲击距。圆柱形的多级凸台使得冷气相较于平板冲击换热结构的压降没有太大的变化，保证了在相同压差内的流量基本不变。即在相同流量的基础上，增大了换热面积和换热系数，从而提高了换热性能。
参阅图2～图5，本实施例一种带多级圆柱形凸台的冲击换热结构由冲击板1、冲击孔2、冲击靶板3、以及从下倒上依次同轴设置的第一级圆柱形凸台4，第二级圆柱形凸台5，第三级圆柱形凸台6组成。冲击距离H，即冲击板与冲击靶板间的距离为12mm，冲击板厚度与冲击距H的比值为0.15～0.2，冲击距H与冲击孔直径D的比值为3，多级圆柱形凸台的总高度为
Figure BDA0003065099220000051
多级凸台中每一单级凸台的高度均为
Figure BDA0003065099220000052
第一级凸台的直径D1与冲击孔直径D的比值为1,第二级凸台的直径D1与冲击孔直径D的比值为2，第三级凸台的直径D1与冲击孔直径D的比值为4。
本实施例中，冷气从冲击孔2射出，垂直喷射至冲击靶板3以及在靶板上的多级圆柱形凸台4，5,6上。随后流向冲击区域外围，最终从冲击板1和冲击靶板3之间的区域流出。本实施例中，采用数值模拟的方法进行验证，具体参数为，冲击孔直径D为4mm，冲击距H为12mm，冲击板的厚度为2mm，冲击靶板的厚度为2mm，每一级凸台的高度均为2mm，第一级凸台的直径为4mm，第二级凸台的直径为2mm，第三级凸台的直径为1mm。冲击雷诺数Re取11250～33750。分析结果时取无量纲范围X/D＝1,3,5(D为冲击孔直径)范围内带多级圆柱形凸台冲击换热结构和平板冲击换热结构的换热系数比和压力损失比，来衡量换热性能和压力损失。
实施例一
本实施例中冲击孔直径D为4mm，冲击距为3D，每一级凸台的高度均为
Figure BDA0003065099220000053
第一级凸台的直径为D，第二级凸台的直径为
Figure BDA0003065099220000054
第三级凸台的直径为
Figure BDA0003065099220000055
雷诺数Re取11250。
如图7所示，X/D＝1,3,5范围内，换热系数比分别为136.14％，121.52％，118.02％，即换热系数相较于平板冲击换热结构分别提升了36.14％，21.52％，18.02％。压力损失比分别为104.43％，103.99％，104.01％，即压力损失相较于平板冲击换热结构增大幅度均小于5％。
实施例二
本实施例中冲击孔直径D为4mm，冲击距为3D，每一级凸台的高度均为
Figure BDA0003065099220000056
第一级凸台的直径为D，第二级凸台的直径为
Figure BDA0003065099220000057
第三级凸台的直径为
Figure BDA0003065099220000058
雷诺数Re取22500。
如图8所示，X/D＝1,3,5范围内，换热系数比分别为151.74％，136.30％，129.22％，即换热系数相较于平板冲击换热结构分别提升了51.74％，36.30％，29.22％。压力损失比分别为104.21％，103.78％，103.82％，即压力损失相较于平板冲击换热结构增大幅度均小于5％。
实施例三
本实施例中冲击孔直径D为4mm，冲击距为3D，每一级凸台的高度均为
Figure BDA0003065099220000061
第一级凸台的直径为D，第二级凸台的直径为
Figure BDA0003065099220000062
第三级凸台的直径为
Figure BDA0003065099220000063
雷诺数Re取33750。
如图9所示，X/D＝1,3,5范围内，换热系数比分别为132.36％，119.55％，114.00％，即换热系数相较于平板冲击换热结构分别提升了32.36％，19.55％，14.00％。压力损失比分别为104.32％，103.88％，103.93％，即压力损失相较于平板冲击换热结构增大幅度均小于5％。
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 (6)

1.一种带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，包括冲击板、设置于冲击板上的冲击孔和冲击靶板，其特征在于：还包括设置于冲击靶板上的多级圆柱形凸台，所述多级圆柱形凸台与冲击板上的冲击孔同轴相对设置；
所述多级圆柱形凸台为阶梯柱状结构，位于底部的圆柱凸台为第一级凸台，直径为D1，从底部到顶部各级圆柱凸台直径递减；所述冲击孔的直径为D。
2.根据权利要求1所述带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，其特征在于：所述冲击板与冲击靶板之间的距离为冲击距离H，H＝2D～4D。
3.根据权利要求1所述带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，其特征在于：所述冲击板厚度与冲击距离H的比值为0.15～0.2。
4.根据权利要求1所述带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，其特征在于：所述多级圆柱形凸台的总轴向高度为h，h＝H/3～2H/3。
5.根据权利要求1所述带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，其特征在于：所述多级圆柱形凸台的凸台级数为N，N＝3～5。
6.根据权利要求1所述带多级圆柱形凸台的强化冲击换热结构，其特征在于：所述多级圆柱形凸台中每一单级凸台的高度均取h/N，第一级凸台的直径D1与冲击孔直径D的比值为1,第N级凸台直径DN＝DN-1/2。
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