CN114963835A - 一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道及其工作方法，换热通道包括：鳞状面通道、摆动导流板、固定导流板、摆动导杆机构，所述鳞状面通道上下壁面对称设有若干鳞片结构，所述鳞片结构尖锐角正对流体流动方向，所述摆动导流板侧面设置有导轨，所述摆动导流板固定端与所述固定导流板前端铰接，所述摆动导杆机构与所述摆动导流板导轨相连。通过外界对所述摆动导杆机构做功从而带动所述摆动导流板摆动，使固定导流板上下两侧流体进行相位相反的脉动流动，从而提高通道换热能力，另外，鳞片结构不仅加强了通道内流体的掺混，还令通道能够在较小的脉动频率下达到较好的脉动换热效果，大大降低了脉动换热的实际应用难度。

Description

一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道及其工作方法

技术领域

本发明属于强化换热通道领域，具体是涉及一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道及其工作方法。

背景技术

内部通道冷却技术广泛应用于电子设备、紧凑型换热器、燃气轮机叶片冷却等领域。目前通常采用在换热通道内部设置肋片、球窝等强化换热结构以促进通道内流体的掺混从而达到提高通道换热性能的目的。在通道内部布置肋片可以显著提高通道换热效果，但是带肋通道的摩擦阻力也远超光滑通道，而拥有凹陷结构的换热通道内没有突出部分，不能产生大规模跨平面的二次流，这一点严重阻碍了此类通道换热性能的进一步提升。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道及其工作方法，本发明能够进一步提升换热通道的换热性能。

本发明采用以下技术方案：

本发明一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，包括鳞状面通道、摆动导流板、固定导流板以及摆动导流板驱动机构，所述鳞状面通道上下壁面对称设有若干鳞片结构，所述鳞片结构尖锐角正对流体流动方向；固定导流板设置在鳞状面通道前段部分中截面处，摆动导流板设置在鳞状面通道的通道入口，摆动导流板的后端与固定导流板的前端铰接，摆动导流板驱动机构与摆动导流板连接并能驱动摆动导流板绕铰接部转动。

优选的，固定导流板的尾端呈流线型。

优选的，摆动导流板驱动机构包括摆动导杆机构，摆动导杆机构包括曲柄、滑块以及导轨，摆动导流板侧面设置所述导轨，所述滑块与所述导轨适配连接，曲柄与滑块连接。

优选的，本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，还包括外部动力装置驱动，外部动力装置驱动与所述曲柄连接。

优选的，鳞状面通道的内腔包括鳞片表面段和位于鳞片表面段两端的光滑表面段，鳞状面通道的内腔在鳞片表面段设置鳞片结构，固定导流板的前端与鳞片表面段的入口端平齐。

优选的，鳞片结构的表面开设有第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，第一凹槽为一椭圆形凹槽的一部分，第二凹槽和第三凹槽均为四分之一椭圆形凹槽，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽对应的椭圆形凹槽的长轴和短轴相同，第二凹槽和第三凹槽均为沿一长轴、一短轴所确定的四分之一椭圆形凹槽；

第一凹槽为鳞片结构在第一凹槽对应的椭圆形凹槽表面继续向内开设第二凹槽和第三凹槽后形成的凹槽结构，第二凹槽和第三凹槽位于第一凹槽对应的椭圆形凹槽短轴的一侧，第二凹槽和第三凹槽相外切，第二凹槽和第三凹槽的外切面过第一凹槽对应的椭圆形凹槽的长轴，第二凹槽和第三凹槽的长轴以及短轴对应的侧面延伸至鳞片结构的侧面；

第一凹槽与第二凹槽之间的落差部分以及与第三凹槽之间的落差部分形成鳞片结构尖锐角；

第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽相互平行且深度相同，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽与鳞状面通道中截面的夹角

其中，P_l为鳞片结构的长，P_t为鳞片结构的宽，e为鳞片结构中鳞片高度。

优选的，具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的参数满足以下条件：

1≤P_t/P_l≤1.5，H＝P_t，100≤L≤150mm，10≤H≤15mm，5≤L₁≤10mm，2≤e≤2.5mm，7500≤Re≤12500；

其中，L为鳞状面通道的长度，H为鳞状面通道内腔的高度，P_l为鳞片结构的长，P_t为鳞片结构的宽，e为鳞片结构中鳞片高度，L₁为摆动导流板长度，θ为摆动导流板的摆幅，L₂为固定导流板的长，Re为流动雷诺数。

本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的工作方法，包括如下过程：

待冷却流体从鳞状面通道的入口流入，摆动导流板驱动机构驱动摆动导流板摆动，使固定导流板上下两侧流体进行相位相反的脉动流动。

优选的，摆动导流板的摆动频率为20～50赫兹。

本发明具有如下有益效果：

本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道通过在鳞状面通道的通道入口处设置摆动导流板，利用摆动导流板驱动机构对摆动导杆机构做功从而带动所述摆动导流板摆动，对流体产生干扰，使固定导流板上下两侧流体进行相位相反的脉动流动，由于通道内脉动流动由摆动导流板产生且整个通道内流体流量保持不变，因此不需要更换脉动泵，大大降低了脉动换热成本；鳞状面通道内设置有鳞片结构，冷却流体流经鳞片结构发生旋转，使得通道内流体能够充分混合，且鳞状面通道能够在较小的脉动频率下令脉动换热效果得到较高的提升，相比之下脉动参数更易实现；通道内存在固定导流板以保证通道内脉动效果，鳞状面通道在脉动流动下，通道内冷却流体的流量基本保持不变。

附图说明

图1为本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的三维结构示意图；

图2为本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的鳞片结构的三维结构示意图；

图3为本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的鳞片结构的三维结构示意图；

图4为本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的鳞片结构的中截面示意图；

图5为本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的入口部分结构的二维结构示意图；

图6为本发明实施例具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道截面的流体流线图。

图中：1、鳞状面通道；1-1、鳞片结构；1-1-1、鳞片结构尖端；1-1-2、第一凹槽；1-1-3、第二凹槽；1-1-4、第三凹槽；2、摆动导流板；3、固定导流板；4、摆动导杆机构。

具体实施方式

下面结合附图与实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-图5所示，本发明具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道包括：鳞状面通道1、摆动导流板2、固定导流板3、摆动导杆机构4，其中，鳞状面通道上下壁面对称设有若干鳞片结构1-1，所述鳞片结构1-1的鳞片轮廓为如图2-图4所示的椭圆弧，所述鳞片结构1-1上表面按层次划分为面A、面B和面C，其中，鳞片结构1-1上表面由上至下挖除第一凹槽1-1-2后剩余的部分，面B为第一凹槽1-1-2上表面由上至下挖除第二凹槽1-1-3和第三凹槽1-1-4后剩余的部分，C面为第二凹槽1-1-3和第三凹槽1-1-4的底面，面A、面B和面C这三组互相平行，所述鳞片结构1-1的这三组平行面与鳞状面通道1中截面的夹角(在使用时，鳞状面通道1中截面水平布置)为

具体的，本发明中，第一凹槽为一椭圆形凹槽的一部分，第二凹槽和第三凹槽均为四分之一椭圆形凹槽，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽对应的椭圆形凹槽的长轴和短轴相同，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽的深度相同，参见图3和图4，第二凹槽和第三凹槽均为沿一长轴、一短轴所确定的四分之一椭圆形凹槽；第一凹槽为鳞片结构在第一凹槽对应的椭圆形凹槽表面继续向内开设第二凹槽和第三凹槽后形成的凹槽结构，第二凹槽和第三凹槽位于第一凹槽对应的椭圆形凹槽短轴的一侧(如图3所示的左侧)，第二凹槽和第三凹槽相外切，第二凹槽和第三凹槽的外切面过第一凹槽对应的椭圆形凹槽的长轴，第二凹槽和第三凹槽的长轴以及短轴对应的侧面延伸至鳞片结构的侧面；第一凹槽与第二凹槽之间的落差部分以及与第三凹槽之间的落差部分形成鳞片结构尖锐角(即鳞片结构尖端1-1-1)。所述鳞片结构尖1-1-1锐角正对流体流动方向，所述摆动导流板2设置在所述鳞状面通道入口(图1所示鳞状面通道1的右端为入口端)，摆动导流板2的侧面设置有导轨(参见图3)，摆动导流板2的固定端(即图3所示摆动导流板2的右端)与所述固定导流板3前端(图3所示固定导流板3的左端)铰接，所述固定导流板3设置在所述鳞状面通道1前段部分中截面处，固定导流板3的尾端呈流线型，固定导流板3的前端与所述摆动导流板2铰接，所述摆动导杆机构4设置在所述鳞状面通道1入口侧壁面，摆动导杆机构4与所述摆动导流板导轨相连。需要说明的是，图1仅为示意图，旨在为本发明提供更进一步的详细说明，而并非意图限制本发明的实施方式。

本发明的脉动换热通道通过在通道入口处设置摆动导流板，利用外部动力装置对所述摆动导杆机构4做功从而带动所述摆动导流板2上下摆动，对流体产生干扰，使固定导流板3上下两侧流体进行相位相反的脉动流动，从而促进冷却流体的掺混，提高通道换热能力；固定导流板3尾端呈流线型，能够有效减少流动分离对主流流体流动状态的影响；鳞状面通道内1设置有鳞片结构，对流体产生干扰并破坏了近壁面边界层；如图6所示，主流流体流经所述鳞片结构发生旋转，使得通道内流体能够充分混合。除了鳞片结构能够加强通道内流体掺混的作用以外，被本发明采取的主要原因是相比于带肋通道、球窝通道等换热通道，鳞状面通道能够在较小的脉动频率下令脉动换热效果得到较高的提升，相比之下脉动参数更易实现。

本发明换热通道的结构参数与脉动参数对于换热有很大影响，如鳞片结构的长宽比P_t/P_l过大或者过小，均会导致通道换热性能下降，摆动导流板2摆动频率f过大或者过小均会影响脉动流动对换热能力的强化，因此本发明提供的换热通道的结构参数与脉动参数如下：

1≤P_t/P_l≤1.5，H＝P_t；

100≤L≤150毫米，10≤H≤15毫米，5≤L₁≤10毫米，2≤e≤2.5毫米，20≤f≤50赫兹，7500≤Re≤12500。

其中，L为鳞状面通道的长度，H为鳞状面通道内腔的高度，P_l为鳞片结构的长，P_t为鳞片结构的宽，e为鳞片结构中鳞片高度，L₁为摆动导流板长度，θ为摆动导流板的摆幅，L₂为固定导流板的长，Re为流动雷诺数。

实施例：

本实施例选取鳞状面通道长度L＝150毫米，高度H＝10毫米，鳞片结构长P_l＝7毫米，宽P_t＝10毫米，鳞片高度e＝2毫米，摆动导流板长L₁＝10毫米，摆幅为θ＝11.5°，固定导流板长L₂＝30毫米，流动雷诺数Re＝10000，摆动导流板摆动频率为f＝50赫兹，对该通道的脉动换热进行了数值计算：该主通道的综合换热性能相比稳态流动提升了12.97％，达到光滑圆管的1.88倍。

可以看出，本发明中固定导流板在长度较小的情况下能够获得较好的脉动效果，大大降低了固定导流板带来的流动阻力。通过使摆动导流板摆动能够使冷却流体按照一定脉动规律流经换热通道，加强通道内流体的掺混从而使通道获得较高的换热性能，以应对换热通道日益增加的冷却负荷。

Claims (9)

1.一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，包括鳞状面通道(1)、摆动导流板(2)、固定导流板(3)以及摆动导流板驱动机构，所述鳞状面通道上下壁面对称设有若干鳞片结构，所述鳞片结构尖锐角正对流体流动方向；固定导流板(3)设置在鳞状面通道(1)前段部分中截面处，摆动导流板(2)设置在鳞状面通道(1)的通道入口，摆动导流板(2)的后端与固定导流板(3)的前端铰接，摆动导流板驱动机构与摆动导流板(2)连接并能驱动摆动导流板(2)绕铰接部转动。

2.根据权利要求1所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，固定导流板(3)的尾端呈流线型。

3.根据权利要求1所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，摆动导流板驱动机构包括摆动导杆机构，摆动导杆机构包括曲柄、滑块以及导轨，摆动导流板(2)侧面设置所述导轨，所述滑块与所述导轨适配连接，曲柄与滑块连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，还包括外部动力装置驱动，外部动力装置驱动与所述曲柄连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，鳞状面通道(1)的内腔包括鳞片表面段和位于鳞片表面段两端的光滑表面段，鳞状面通道(1)的内腔在鳞片表面段设置鳞片结构，固定导流板(3)的前端与鳞片表面段的入口端平齐。

6.根据权利要求1所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，所述鳞片结构的表面开设有第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，第一凹槽为一椭圆形凹槽的一部分，第二凹槽和第三凹槽均为四分之一椭圆形凹槽，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽对应的椭圆形凹槽的长轴和短轴相同，第二凹槽和第三凹槽均为沿一长轴、一短轴所确定的四分之一椭圆形凹槽；

第一凹槽为鳞片结构在第一凹槽对应的椭圆形凹槽表面继续向内开设第二凹槽和第三凹槽后形成的凹槽结构，第二凹槽和第三凹槽位于第一凹槽对应的椭圆形凹槽短轴的一侧，第二凹槽和第三凹槽相外切，第二凹槽和第三凹槽的外切面过第一凹槽对应的椭圆形凹槽的长轴，第二凹槽和第三凹槽的长轴以及短轴对应的侧面延伸至鳞片结构的侧面；

第一凹槽与第二凹槽之间的落差部分以及与第三凹槽之间的落差部分形成鳞片结构尖锐角；

第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽相互平行且深度相同，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽与鳞状面通道(1)中截面的夹角

其中，P_l为鳞片结构的长，P_t为鳞片结构的宽，e为鳞片结构中鳞片高度。

7.根据权利要求6所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道，其特征在于，具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的参数满足以下条件：

1≤P_t/P_l≤1.5，H＝P_t，100≤L≤150mm，10≤H≤15mm，5≤L₁≤10mm，2≤e≤2.5mm，7500≤Re≤12500；

其中，L为鳞状面通道的长度，H为鳞状面通道内腔的高度，L₁为摆动导流板长度，θ为摆动导流板的摆幅，L₂为固定导流板的长，Re为流动雷诺数。

8.权利要求1-7任意一项所述的一种具有导流板的主动式鳞状面脉动换热通道的工作方法，其特征在于，包括如下过程：

待冷却流体从鳞状面通道(1)的入口流入，摆动导流板驱动机构驱动摆动导流板(2)摆动，使固定导流板(3)上下两侧流体进行相位相反的脉动流动。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，摆动导流板(2)的摆动频率为20～50赫兹。

Images