CN113847102A - 一种增强整体热性能的构形截断肋结构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种增强整体热性能的构形截断肋结构，属于强化换热技术领域；在高温部件的冷却通道中设置有构形截断肋，所述构形截断肋按周期沿冷却通道底部壁面长度方向均布；每个周期包括8排截断肋片，沿着气流方向，奇数排的肋片被截断，形成被截断肋片和截断区域，且沿气流方向每排被截断肋片和截断区域的数量逐渐递增；被截断后各奇数排内位于截断区域的肋片均沿气流方向向下游平移，形成周期内的偶数排。相较于传统的连续直肋，本发明在截断区域产生的横向涡，使近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了冷却通道的换热性能和整体热性能。本发明结构简单，设计合理，适用于高温部件的内部冷却系统和强化换热系统。

Description

一种增强整体热性能的构形截断肋结构
技术领域
本发明属于强化换热技术领域，具体涉及一种增强整体热性能的构形截断肋结构。
背景技术
肋片结构是实际工程应用中主要的强化换热技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片的内部冷却、超燃冲压发动机的再生冷却、太阳能空气加热器以及微型电子元器件的热沉中等。日渐攀升的燃气轮机涡轮前进口温度已经远远超过了涡轮叶片材料的耐受温度极限，发展高效的涡轮叶片冷却技术以降低叶片温度、延长其服役时间势在必行。高超声速飞行器由于飞行马赫数和巡航时间的增加，导致超燃冲压发动机所承受的热环境十分恶劣，再生冷却被认为是超燃冲压发动机的最佳冷却方式，探索高效的再生冷却系统成为超燃冲压发动机的关键科学技术难题。对于太阳能空气加热器而言，由于空气的导热系数小以致其对流换热系数小，设法强化空气与太阳能吸热板间的换热是提高空气加热器性能的关键。此外，现代大功率航空航天精密仪器、高强度激光器等设备内，微电子元器件向高度集成化和小型化发展，这导致器件的发热功率持续攀升，电子元器件的散热性能成为了制约微电子工业发展的瓶颈之一。
肋片的使用可以在内部通道中产生二次流，对流体产生扰动，也可以增大换热面积，从而达到增强通道换热性能的目的。但是肋片的布置，会增加通道的流阻，使通道内流体的压力损失增大。间断肋由于能够减小连续肋片通道的压力损失而被广泛的研究。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号201910344045.3，专利公开日期2019年7月23日，专利名称：一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，该专利在叶片主体结构设置U型叉壁，在左右侧壁与U型叉壁间均设置间断肋，并且间断肋成对设置。这种冷却方式对气流产生的扰动增强，使气体流动产生分离的程度变大，增强了流体的湍动度，强化了换热，降低了压损。但是，由于该结构中间断肋成对布置，并未对内部通道中间区域的流体产生扰动，因此在通道中间会形成一条低换热区域，降低了通道内换热的均匀性。针对这一问题，中国专利申请号202010992833.6，专利公开日期2021年1月5日，专利名称：一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，该专利在内冷通道中布置分形间断肋片，这种冷却方式对来流造成了持续的扰动，不断增加的间断区域有助于提高通道换热的均匀性。但是，与连续直肋相比，该结构间断区域肋片的缺失，减小了通道的换热面积。
此外，文献“Street network theory of organization in nature”(ASMEJournal of Heat Transfer,2008年，第40期)首次运用构形理论来提高换热系统的换热性能，目前，构形理论已被广泛应用于工程和生活等多个领域，用于更好的组织人员、货物和信息的流动与连接。而文献“Design with constructal theory”(1st InternationalWorkshop,2008)中指出当构形结构的分支的数量大于等于4时，构形结构能够提供更好的流体渗透性，且当下一级构形分支的长度为上一级构形分支长度的1/2时，构形结构的性能较优。
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，本发明提出一种增强整体热性能的构形截断肋结构，由于被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。
本发明的技术方案是：一种增强整体热性能的构形截断肋结构,在高温部件的冷却通道中设置有构形截断肋，所述构形截断肋按周期沿冷却通道底部壁面长度方向均布；其特征在于：每个周期包括8排截断肋片，沿着气流方向，奇数排的肋片被截断，形成被截断肋片和截断区域，且沿气流方向每排被截断肋片和截断区域的数量逐渐递增；被截断后各奇数排内位于截断区域的肋片均沿气流方向向下游平移，形成周期内的偶数排。
本发明的进一步技术方案是：所述奇数排的被截断肋片两端紧贴冷却通道的侧壁面，截断区域位于内部冷却通道中。
本发明的进一步技术方案是：所述周期内奇数排的截断区域沿气流方向组成构形结构，截断区域的数目依次分别为1，2，4，8。
本发明的进一步技术方案是：所述位于截断区域的肋片平移后与其上游被截断肋片的距离为D，相邻两排被截断肋片的间距为P，两者比例为1/5≤D/P≤4/5。
本发明的进一步技术方案是：所述周期内各奇数排中的截断区域的总长度相等，因此，各偶数排中截断区域的肋片总长度相等。
本发明的进一步技术方案是：所述周期内每个奇数排中的截断区域的总长度为L，冷却通道的宽度为W，满足1/5≤L/W≤1/2。
本发明的进一步技术方案是：所述截断肋片的高度为e，与相邻两排被截断肋片的间距P的比例关系为8≤P/e≤15。
本发明的进一步技术方案是：所述截断肋片的高度e与冷却通道的内部高度H的比例关系为1/10≤e/H≤1/4。
本发明的进一步技术方案是：所述截断肋片的截面形状任意。
本发明的进一步技术方案是：所述截断肋片为直肋或倾斜肋，作为直肋的截断肋片与冷却通道内右侧壁相垂直，作为倾斜肋的截断肋片与冷却通道内右侧壁成α夹角，夹角满足30°≤α≤90°。
有益效果
本发明的有益效果在于：首先，与光滑通道相比，截断肋片的布置增加了通道内的换热面积，增大了对流体的扰动作用，大幅提高了通道的对流换热性能。再次，与连续直肋片通道相比，截断肋片虽未明显增大通道换热面积，但是截断肋片区域诱导的横向涡对，对气流的扰流作用增强，加强了主流与边界层流体的掺混作用，增大了流体的湍流度，提高了通道的换热性能。再次，与间断肋片通道相比，截断区域的肋片没有移除，而是置于被截断肋片的下游，会对流体再一次产生扰动，起到强化换热的作用，最后，利用构形原理对肋片进行截断，沿流向方向对流体产生持续扰动，强化通道的换热。因此，本发明一种适增强整体热性能的构形截断肋结构具有高对流换热性能和高整体热性能等优点，换热性能、压力损失和整体热性能效果的提高见说明书附图图8。
本发明通过具体试验结果做出对比，相比于现有技术通道内换热增和整体热性能提高都有较大的提高，具体分析如下：
实施例1中，冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，并在截断区域的两侧分别形成一对横向涡，附着于两个截断肋片的后方，缩小了肋后回流区，强化了换热，另一部分流过截断肋片，在截断肋片的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了69％，整体热性能提高了60％。
实施例2中，由于肋片的截面形状为三角形，且斜边背对着来流方向，因此，相较于实施例1，本实施例中肋后回流区小，通道平均换热性能增强。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了80％，整体热性能提高了62％。
实施例3中，与实施例1相比，截断区域肋片下游两侧形成的一对横向涡的涡量更大，对流体的扰动更强。而另一部分流过截断肋片，在截断肋片的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了76％，整体热性能提高了65％。
实施例4中，计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了69％，整体热性能提高了60％。
实施例5中，由于肋片倾斜的原因，流动方向右侧的横向涡强度较大。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了75％，整体热性能提高了64％。
附图说明
图1是本发明实施例1去掉顶部壁面后的结构示意图；
图2是本发明实施例1去掉顶部壁面后的俯视图；
图3是本发明实施例1去掉右侧壁后的主视图；
图4是本发明实施例2去掉右侧壁后的主视图；
图5是本发明实施例3去掉顶部壁面后的俯视图；
图6是本发明实施例4去掉顶部壁面后的俯视图；
图7是本发明实施例5去掉顶部壁面后的俯视图；
图8是本发明实例1、实例2、实例3、实例4、实例5的换热性能(Nu/Nu0)、压力损失(f/f0)和整体热性能(Nu/Nu0/(f/f0)1/3)与实例0(连续直肋通道)的换热性能、压力损失和整体热性能的比较结果。
附图标记说明：1.左侧壁面，2.右侧壁面，3.底部壁面，4.被截断肋片，5.截断区域，6.截断区域肋片，7.一个构形周期，W.冷却通道的宽度，L.每排间断区域的总长度，P.相邻两排截断肋沿流向的间距，D.截断肋片与被截断肋片的流向间距，e.肋片的高度，H.冷却通道的内部高度，α.截断肋片的倾斜角度。
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。
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。
本发明提供了一种增强整体热性能的构形截断肋结构，该结构包括左侧壁面1、右侧壁面2、底部壁面3、被截断肋片4、截断区域5及截断区域肋片6，所述截断肋片放置在宽W，高H的叶片等内冷部件的冷却通道中。其中截断肋片高为e，沿气流来流方向，每两排相邻的被截断肋片间隔为P，截断区域的肋片向被截断肋片的下游移动，移动的距离D满足1/5≤D/P≤4/5。构形截断肋片的特征在于，所有的截断肋片在冷却部件通道中以构形周期7的形式设置，每个构形周期包含四排被截断肋片与四排向下游移动的截断区域肋片。具体的，沿流体流动方向，第一排被截断肋片有1个截断区域，位于通道的中央，第二排被截断肋片有2个截断区域，第三排被截断肋片有4个截断区域，第四排被截断肋片有8个截断区域。相应的，沿流体流动方向，向下游移动的截断区域肋片数量分别为第一排1个，第二排2个，第三排4个，第四排8个。每排被截断肋片的截断区域总长度均为L，每排截断区域肋片的总长度也为L，且满足1/5≤L/W≤1/2。此外，相邻两排被截断肋片的肋间距P与截断肋片的高度e的比值满足8≤P/e≤15，截断肋片的高度e与冷却通道的内部高度H的比值满足1/10≤e/H≤1/4。
图1至图3为本发明的实施例1。在本实施例中，冷却通道中布置两个周期的构形截断肋结构，其中，截断肋片与通道的右侧壁相垂直，截断肋片的截面形状为正方形，截断肋片的肋宽等于其肋高e。截断区域肋片位于相邻两排被截断肋片的中间，与其对应的被截断肋片的距离为P/2，截断区域长度L为通道宽度W的1/4，截断肋片的高度e为相邻两排被截断肋片间距P的1/10，为通道内部高度H的1/8。冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，并在截断区域的两侧分别形成一对横向涡，附着于两个截断肋片的后方，缩小了肋后回流区，强化了换热，另一部分流过截断肋片，在截断肋片的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了69％，整体热性能提高了60％。
图4为本发明的实施例2。在本实施例中，冷却通道中布置两个周期的构形截断肋结构，其中，截断肋片与通道的右侧壁相垂直，截断肋片的截面形状为边长为e的等腰直角三角形，肋片的直角边面向来流方向。截断区域肋片位于相邻两排被截断肋片的中间，与其对应的被截断肋片的距离为P/2，截断区域长度L为通道宽度W的1/4，截断肋片的高度e为相邻两排被截断肋片间距P的1/10，为通道内部高度H的1/8。冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，并在截断区域的两侧分别形成一对横向涡，附着于两个截断肋片的后方，缩小了肋后回流区，强化了换热，另一部分流过截断肋片，在截断肋片的上游和下游都产生回流区，但是由于肋片的截面形状为三角形，且斜边背对着来流方向，因此，相较于实施例1，本实施例中肋后回流区小，通道平均换热性能增强。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了80％，整体热性能提高了62％。
图5为本发明的实施例3。在本实施例中，冷却通道中布置两个周期的构形截断肋结构，其中，截断肋片与通道的右侧壁相垂直，截断肋片的截面形状为正方形，截断肋片的肋宽等于其肋高e。截断区域肋片位于相邻两排被截断肋片的中间，与其对应的被截断肋片的距离为P/3，截断区域长度L为通道宽度W的1/4，截断肋片的高度e为相邻两排被截断肋片间距P的1/10，为通道内部高度H的1/8。冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，但由于截断区域肋片与被截断肋片距离较近，流过截断区域的流体未能在肋片两侧形成横向涡，这部分流体在截断区域肋片的作用下发生流动分离，在截断区域肋片下游两侧形成一对横向涡，与实施例1相比，该对横向涡的涡量更大，对流体的扰动更强。而另一部分流过截断肋片，在截断肋片的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了76％，整体热性能提高了65％。
图6为本发明的实施例4。在本实施例中，冷却通道中布置两个周期的构形截断肋结构，其中，截断肋片与通道的右侧壁相垂直，截断肋片的截面形状为正方形，截断肋片的肋宽等于其肋高e。截断区域肋片位于相邻两排被截断肋片的中间，与其对应的被截断肋片的距离为2/3P，截断区域长度L为通道宽度W的1/4，截断肋片的高度e为相邻两排被截断肋片间距P的1/10，为通道内部高度H的1/8。冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，并在截断区域的两侧分别形成一对横向涡，附着于两个截断肋片的后方，缩小了肋后回流区，强化了换热，另一部分流过截断肋片，在截断肋的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了69％，整体热性能提高了60％。
图7为本发明的实施例5。在本实施例中，冷却通道中布置两个周期的构形截断肋结构，其中，截断肋片与通道的右侧壁的夹角为75°，截断肋片的截面形状为正方形，截断肋片的肋宽等于其肋高e。截断区域肋片位于相邻两排被截断肋片的中间，与其对应的被截断肋片的距离为P/2，截断区域长度L为通道宽度W的1/4，截断肋片的高度e为相邻两排被截断肋片间距P的1/10，为通道内部高度H的1/8。冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，并在截断区域的两侧分别形成一对横向涡，另一部分流过截断肋片，在截断肋的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象，强化了通道换热。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡，由于肋片倾斜的原因，流动方向右侧的横向涡强度较大。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。计算结果表明，当冷流体雷诺数为80000时，该实施例相对于连续直肋通道换热增加了75％，整体热性能提高了64％。
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 (10)

1.一种增强整体热性能的构形截断肋结构,在高温部件的冷却通道中设置有构形截断肋，所述构形截断肋按周期沿冷却通道底部壁面长度方向均布；其特征在于：每个周期包括8排截断肋片，沿着气流方向，奇数排的肋片被截断，形成被截断肋片和截断区域，且沿气流方向每排被截断肋片和截断区域的数量逐渐递增；被截断后各奇数排内位于截断区域的肋片均沿气流方向向下游平移，形成周期内的偶数排。
2.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述奇数排的被截断肋片两端紧贴冷却通道的侧壁面，截断区域位于内部冷却通道中。
3.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述周期内奇数排的截断区域沿气流方向组成构形结构，截断区域的数目依次分别为1，2，4，8。
4.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述位于截断区域的肋片平移后与其上游被截断肋片的距离为D，相邻两排被截断肋片的间距为P，两者比例为1/5≤D/P≤4/5。
5.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述周期内各奇数排中的截断区域的总长度相等，因此，各偶数排中截断区域的肋片总长度相等。
6.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述周期内每个奇数排中的截断区域的总长度为L，冷却通道的宽度为W，满足1/5≤L/W≤1/2。
7.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述截断肋片的高度为e，与相邻两排被截断肋片的间距P的比例关系为8≤P/e≤15。
8.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述截断肋片的高度e与冷却通道的内部高度H的比例关系为1/10≤e/H≤1/4。
9.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述截断肋片的截面形状任意。
10.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述截断肋片为直肋或倾斜肋，作为直肋的截断肋片与冷却通道内右侧壁相垂直，作为倾斜肋的截断肋片与冷却通道内右侧壁成α夹角，夹角满足30°≤α≤90°。
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