CN114753933B - 一种叶脉仿生主动冷却流道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非相变强化换热领域，具体涉及一种叶脉仿生主动冷却流道结构。该冷却流道结构包括主冷却流道、支脉冷却流道、支脉冷却流道入口扰流凸起、支脉冷却流道出口扰流凸起。相邻主冷却流道通过支脉冷却流道相连，支脉冷却流道与主冷却流道内的流动方向呈锐角夹角α，在支脉冷却流道的出入口，分别设置扰流凸起。该冷却流道结构通过支脉冷却流道和扰流凸起，增大了换热面积，改变了冷却液流动条件，增大了冷却液紊流程度，提高了传热系数，强化了冷却液与冷却结构的传热，同时降低了冷却流道结构重量，具有工程推广价值。

Description

一种叶脉仿生主动冷却流道结构
技术领域
本发明属于非相变强化换热领域，具体涉及一种叶脉仿生主动冷却流道结构。
背景技术
超燃冲压发动机在点火工作之前，发动机进气道等部段需承受长时间高速气动加热；点火后，燃烧室等部段受到高温燃气高速流动强化传热，热流峰值达到兆瓦级。因此，高效热防护技术是制约发动机结构性能的关键问题。
目前发动机热防护技术主要分两类：被动式热防护和主动式热防护。被动式热防护是通过改善材料的耐温性能，如喷涂耐高温涂层等；主动式热防护是通过促使碳氢燃料流经待冷却部位后，再喷射到燃烧室用于燃烧。
发动机主动冷却结构一般为单一矩形截面直流道，在发动机地面试验过程中，因为结构形式、燃烧等非对称原因，主动冷却结构常常存在局部过热、结构强度降低等问题。
耐热型网状脉植物常年生长在热带高温的恶劣环境中，依靠其自身几近完美的自适应热结构抵御高温对其正常生理活动的影响，其散热机制对要求高效散热的超燃冲压发动机主动冷却结构设计具有较好的借鉴意义。
当前，亟需发展一种基于仿生科学的叶脉仿生主动冷却流道结构。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，借鉴叶脉、丁胞管等仿生强化换热模式，本发明提供了一种叶脉仿生主动冷却流道结构。
本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构，其特点是，叶脉仿生主动冷却流道结构包括位于主动冷却流道前端的冷却液入口，位于主动冷却流道后端的冷却液出口，以及位于主动冷却流道中段的相互平行的主冷却流道，其特征在于，各主冷却流道之间通过支脉冷却流道连通，各主冷却流道之间通过断续的隔断隔开，断续的隔断的截面形状为从前至后交替排列的上底边短下底边长的等腰梯形和上底边长下底边短的等腰梯形，相邻主冷却流道为对应的交错排列的上底边短下底边长的等腰梯形或者上底边长下底边短的等腰梯形。
进一步地，所述的等腰梯形的长底边的两端设置有扰流凸起，扰流凸起的剖面形状为圆形、椭圆形、矩形、方形或者多边形，多边形的边数为N，N≥5。
进一步地，所述的主动冷却流道中段的厚度相对需要用冷的部段尺度小一个数量级，主动冷却流道中段的形状为条带型、平板型或者与需要用冷的部段表面形状相匹配的筒型，条带型主动冷却流道中段通过缠绕的方式包裹在需要用冷的筒型部段表面，平板型主动冷却流道中段覆盖在需要用冷的平面部段表面，筒型主动冷却流道中段套装在需要用冷的筒形部段表面。
本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构包括了主冷却流道、支脉冷却流道，相邻主冷却流道不直接连通，通过支脉冷却流道相连，支脉冷却流道与主冷却流道内的流动方向呈锐角夹角α，在支脉冷却流道入口和支脉冷却流道出口分别设置扰流凸起。
本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构具有以下优点：
1.能够更高效的强化换热，直接降低被冷却结构最大温度和平均温度。
2.采用支脉冷却流道，降低了结构重量，更具轻质性。
3.扰流凸起的截面形状可以是具有扰流功能的圆形、椭圆形、矩形、方形或者多边形等任意形状，便于设计人员选择，更具工艺性的特征，即机加工艺性突出。
本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构通过支脉冷却流道和扰流凸起，增大了换热面积，改变了冷却液流动条件，增大了冷却液紊流程度，提高了传热系数，强化了冷却液与冷却结构的传热，同时降低了冷却流道结构重量，具有工程推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1a为本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构示意图；
图1b为本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构示意图（Ⅱ局部放大图）；
图2a为三种构型的冷却流道结构示意图；
图2b为三种构型的冷却流道结构获得的冷却效果对比曲线；
图2c为三种构型的冷却流道结构获得的加热面温度云图。
图中，1.主冷却流道；2.支脉冷却流道；3.支脉冷却流道入口扰流凸起；4.支脉冷却流道出口扰流凸起。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
如图1a、图1b所示，本实施例的叶脉仿生主动冷却流道结构包括位于主动冷却流道前端的冷却液入口，位于主动冷却流道后端的冷却液出口，以及位于主动冷却流道中段的相互平行的主冷却流道1，其特征在于，各主冷却流道1之间通过支脉冷却流道2连通，各主冷却流道1之间通过断续的隔断隔开，断续的隔断的截面形状为从前至后交替排列的上底边短下底边长的等腰梯形和上底边长下底边短的等腰梯形，相邻主冷却流道1为对应的交错排列的上底边短下底边长的等腰梯形或者上底边长下底边短的等腰梯形。
进一步地，所述的等腰梯形的长底边的两端设置有扰流凸起，扰流凸起的剖面形状为圆形、椭圆形、矩形、方形或者多边形，多边形的边数为N，N≥5。
进一步地，所述的主动冷却流道中段的厚度相对需要用冷的部段尺度小一个数量级，主动冷却流道中段的形状为条带型、平板型或者与需要用冷的部段表面形状相匹配的筒型，条带型主动冷却流道中段通过缠绕的方式包裹在需要用冷的筒型部段表面，平板型主动冷却流道中段覆盖在需要用冷的平面部段表面，筒型主动冷却流道中段套装在需要用冷的筒形部段表面。
图2a给出了3种主动冷却流道构型，构型1为直流冷却流道；构型2为第一种叶脉仿生冷却流道，包括主冷却流道1、支脉冷却流道2，相邻主冷却流道1不直接连通，通过支脉冷却流道2相连，支脉冷却流道2与主冷却流道1内的流动方向呈锐角夹角α；构型3为第二种叶脉仿生冷却流道，在第一种叶脉仿生冷却流道的基础上增加了支脉冷却流道入口扰流凸起3、支脉冷却流道出口扰流凸起4，规定与主冷却流道1内的流动方向保持为锐角的支脉冷却流道2方向为支脉冷却流道2流动方向，沿流动方向上的支脉冷却流道2入口和出口，分别设置支脉冷却流道入口扰流凸起3、支脉冷却流道出口扰流凸起4，即在主冷却流道1与支脉冷却流道2交叉处设计支脉冷却流道入口扰流凸起3、支脉冷却流道出口扰流凸起4。
各主冷却流道1的冷却液通过支脉冷却流道2实现了渗混，扰流凸起更是增大了换热面积和冷却液紊流程度。图2b可知，构型1、构型2和构型3的最大温度和平均温度是依次降低的。图2c可知，构型1、构型2和构型3冷却效果依次增强，证明了叶脉仿生冷却流道具有更高效的强化换热效果，能够显著降低被冷却表面的最大温度和平均温度。由于设置了支脉冷却流道2，使得本发明的叶脉仿生主动冷却流道结构更加轻质，由于对扰流凸起的形状限定为范围较宽的圆形、椭圆形、矩形、方形或者多边形，多边形的边数为N，N≥5，使得设计人员能够根据加工条件选择更适合的形状，机加工艺性更加突出。

Claims (2)

1.一种叶脉仿生主动冷却流道结构，所述的叶脉仿生主动冷却流道结构包括位于主动冷却流道前端的冷却液入口，位于主动冷却流道后端的冷却液出口，以及位于主动冷却流道中段的相互平行的主冷却流道（1），其特征在于，各主冷却流道（1）之间通过支脉冷却流道（2）连通，各主冷却流道（1）之间通过断续的隔断隔开，断续的隔断的截面形状为从前至后交替排列的上底边短下底边长的等腰梯形和上底边长下底边短的等腰梯形，相邻主冷却流道（1）为对应的交错排列的上底边短下底边长的等腰梯形或者上底边长下底边短的等腰梯形；
所述的等腰梯形的长底边的两端设置有扰流凸起，扰流凸起的剖面形状为圆形、椭圆形、矩形、方形或者多边形，多边形的边数为N，N≥5；
所述的叶脉仿生主动冷却流道结构增大了换热面积，改变了冷却液流动条件，增大了冷却液紊流程度，提高了传热系数，强化了冷却液与冷却结构的传热，同时降低了冷却流道结构重量。
2.根据权利要求1所述的叶脉仿生主动冷却流道结构，其特征在于，所述的主动冷却流道中段的厚度相对需要用冷的部段尺度小一个数量级，主动冷却流道中段的形状为条带型、平板型或者与需要用冷的部段表面形状相匹配的筒型，条带型主动冷却流道中段通过缠绕的方式包裹在需要用冷的筒型部段表面，平板型主动冷却流道中段覆盖在需要用冷的平面部段表面，筒型主动冷却流道中段套装在需要用冷的筒形部段表面。
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