CN115727691B - 基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于换热器技术领域，提供了基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其中，芯体包括冷流体通道和热流体通道，通道间用隔板隔开，不同通道进出口用封条隔开，热流体通道内插入DP型杂化三周期极小曲面扰动结构，冷流体通道内插入Kagome桁架结构，其韧带横截面为椭圆形，冷热流体采用叉流布置。该换热器具有结构紧凑、流道复杂、换热面积大、换热效率高等优点，较之于传统P型极小曲面，提高了换热面积，增加了涡流的数量，较之于传统的圆形韧带Kagome桁架结构，提高了综合换热性能。本发明换热器实用、高效、安全，为解决航空发动机热管理问题提供了新的思路。

Description

基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的 多孔介质换热器

技术领域

本发明属于换热器技术领域，涉及基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构优化组合的多孔介质换热器。

背景技术

在航空发动机工作过程中，压气机引出的高温气体需要通过流经外涵道的空气冷却。温度的升高对于航发的安全性影响较大。基于此背景，开展航空发动机热管理系统研究是非常必要的。热量交换的主要场所是换热器，换热器性能优劣决定了换热效率的高低。间壁式换热器是换热器常见的类型，可以分为管翅式换热器和板翅式换热器。本发明主要以板翅式换热器为研究对象。

板翅式换热器是将冷热两种流体用隔板间隔开，冷热流体间隔布置，在冷热流道中，都插入翅片来增加扰动效果和增强力学性能。翅片的类型在目前的研究中较为广泛，包括：小翼、桁架、槽道、针肋、泡沫金属等。在目前新兴的研究中，三周期极小曲面结构以其优异的扰动性能和力学性能被学者广泛关注。三周期极小曲面是一种仿生结构，在大自然的许多生物结构中发现了三周期极小曲面的存在。目前三周期极小曲面的基本结构多达45种。P型三周期极小曲面在多个领域都有应用，例如：组织工程、进料器、静态混合器、换热器等。在换热器领域的应用中，P型三周期极小曲面存在扰动不足，导致换热效果不佳。在P型极小曲面的基础上，依据Sigmoid函数杂化方法设计出DP型杂化三周期极小曲面结构，将DP型杂化三周期极小曲面作为翅片结构布置在换热器流体通道内。此时，翅片的作用等同于涡发生器，涡流的混合对于增强对流换热具有重要意义。但现有的杂化三周期极小曲面多用于结构强度优化领域，并没有适用于强化换热效果的DP型杂化三周期极小曲面的具体设计启示。

发明内容

本发明为解决航空发动机压气机高温气体冷却问题。通过新型高效换热器进行热量交换，优化扰动结构几何特征，提供一种基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构优化组合的多孔介质换热器。本发明为解决此问题所采用的技术方案如下：

一种基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，包括芯体、封头、法兰；所述芯体包括冷流体通道和热流体通道，冷流体通道内填充Kagome桁架结构，所述Kagome桁架结构的韧带横截面为椭圆形；热流体通道内填充DP型杂化三周期极小曲面扰动结构；所述DP型杂化三周期极小曲面扰动结构包括D型三周期极小曲面结构、基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构、P型三周期极小曲面结构，其中基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构位于D型三周期极小曲面结构和P型三周期极小曲面结构之间。

进一步地，所述DP型杂化三周期极小曲面的基本控制方程为：

(1/(1+exp(k*f)))*((cos(A*π*x)+cos(B*π*y)+cos(C*π*z)))+(1-(1/(1+exp(k.*f))))*(sin(A*π*x)*sin(B*π*y)*sin(C*π*z)+sin(A*π*x)*cos(B*π*y)*cos(C*π*z)+cos(A*π*x)*sin(B*π*y)*cos(C*π*z)+cos(A*π*x)*cos(B*π*y)*sin(C*π*z))＝M

式中，1/(1+exp(k·f))为Sigmoid函数一般式，其中k是常数，用于控制杂化过渡区域长度；f是与x，y，z其中一个变量相关的函数，用于控制杂化方向；三角函数中A，B，C是常数，用于控制在x，y，z方向单位长度上晶格的个数；M是常数，用于控制整体结构的孔隙率，当极小曲面不具有厚度时，M＝0。与传统的P型极小曲面差别在于添加了D型极小曲面的特征元素，并用平滑的过渡函数Sigmoid函数1/(1+exp(10.*x))柔性过渡，使之最后的结构形态为D型三周期极小曲面、DP型过渡极小曲面、P型三周期极小曲面的形态。

进一步地，所述DP型杂化三周期极小曲面的基本控制方程，k＝5A，基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构占据DP型杂化三周期极小曲面扰动结构中的单个胞体；优选地，k＝10；f＝x；A＝B＝C＝2；M＝0.3179。

进一步地，换热器材质均为铝合金，其中DP型杂化三周期极小曲面扰动结构和所述Kagome桁架结构采用3D打印方式制造，各部件间连接方式为焊接。

进一步地，所述冷流体通道中Kagome桁架结构韧带的椭圆形横截面长轴与短轴的比例为2.04。

进一步地，沿着热流体流动方向，DP型三周期极小曲面扰动结构的布置方式依次为：D型三周期极小曲面结构、基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构、P型三周期极小曲面结构。

进一步地，所述冷流体流动方向分别与Kagome桁架结构三条韧带的沿椭圆形横截面长轴的纵向截面平行；同时冷流体流动方向还平行于三条韧带轴线在隔板端面交点所围成的正三角形的中线。

进一步地，所述冷流体通道和热流体通道间用隔板隔开，不同通道进出口用封条隔开，冷流体通道内插入韧带横截面为椭圆形的Kagome桁架结构；所述封头包括热流体封头和冷流体封头；法兰包括热流体通道进出口法兰和冷流体通道进出口法兰共四个，无封头与法兰的侧面用挡板封装；冷热流体采用叉流布置，即冷流体和热流体的主流方向呈90°角交叉。

进一步地，在填充的DP型杂化三周期极小曲面扰动结构中，D型三周期极小曲面结构占据总体积的2/5、基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构占据总体积的1/5、P型三周期极小曲面结构占据总体积的2/5。

进一步地，冷流体工质管道通过第一法兰与冷流体封头相连，冷流体经过冷流体封头内部空间进入芯体中的冷流体通道；热流体工质管道通过第二法兰与热流体封头相连，热流体经过热流体封头内部空间进入芯体中的热流体通道；冷热流体进入各自通道后，冷流体通道中冷流体在韧带横截面为椭圆形的Kagome桁架结构的作用下通过隔板与热流体发生换热；热流体通道中的热流体在DP型杂化三周期极小曲面扰动结构作用下通过隔板与冷流体发生换热；热交换完成后，冷流体通过冷流体封头内部空间流出换热器；热流体通过热流体封头内部空间流出换热器。

进一步地，DP型杂化三周期极小曲面扰动结构与隔板紧密贴合。

进一步地，椭圆形韧带截面的Kagome桁架结构与隔板紧密贴合。

本发明的有益效果为，基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构优化组合的多孔介质换热器，具有结构紧凑、轻质化、换热面积大、换热效率高等优点，尤其是自主设计的DP型杂化三周期极小曲面扰动结构和椭圆形韧带截面的Kagome桁架结构的应用，有利于从冷热流体两种通道入手强化换热。DP型杂化三周期极小曲面扰动结构相对于传统的P型三周期极小曲面结构增加了换热面积，促进了热流体的分离混合。当Kagome桁架结构的韧带横截面为椭圆形的采用长短轴比例2.04，具有更加显著的综合换热性能，从提升换热效果和减小流动阻力两方面优化了冷流体的传热效果。本发明为解决航空飞机余热回收问题提供了新思路。

附图说明

图1是本发明实施例1基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器的正视图(剖面结构图)；

图2是本发明实施例1基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器的左视图(剖面结构图)；

图3是本发明一种基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器的俯视图；

图4是本发明DP型杂化三周期极小曲面扰动结构的三维结构图；

图5是本发明椭圆形韧带Kagome桁架结构的三维结构图。

图中：1法兰；2冷流体封头；3热流体封头；4封条；5DP型杂化三周期极小曲面扰动结构；6椭圆形韧带Kagome桁架结构；7隔板；8挡板。

具体实施方式

下面根据本发明的结构图进行更细致的阐述。

实施例1

如图1和图2所示，本发明中，一种基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，由封头、芯体、法兰1组成。封头包括冷流体封头2两个和热流体封头3两个；芯体包括封条4、DP型杂化三周期极小曲面扰动结构5、椭圆形韧带Kagome桁架结构6、隔板7、挡板8；法兰1有四个，分布在冷热流道进出口。所述的椭圆形韧带Kagome桁架结构6即韧带横截面为椭圆形的Kagome桁架结构。冷流体通道中使用椭圆形韧带Kagome桁架结构作为扰动与支撑结构；热流体通道中使用DP型杂化三周期极小曲面扰动结构作为扰动与支撑结构。法兰1与冷流体封头2、热流体封头3通过钎焊方式连接；冷流体封头2与芯体通过钎焊方式连接；热流体封头3与芯体通过钎焊方式连接；冷流体通道中的椭圆形韧带Kagome桁架结构与隔板7以及挡板8之间的连接方式为熔焊；热流体通道中的DP型杂化三周期极小曲面扰动结构与隔板7以及封条4之间的连接方式为压焊；隔板7与封条4之间的连接方式为钎焊。

所述冷流体为低温空气(大气环境中的空气)，所述热流体为高温空气(航空发动机引气)，冷热流体呈叉流状态流动。所述换热器整体材料选用铝合金，3D打印材料为铝合金(AlSi10Mg)。

所述DP型杂化三周期极小曲面扰动结构高度为10mm，长度和宽度均为50mm。

所述DP型杂化三周期极小曲面的基本控制方程为：

(1/(1+exp(k*f)))*((cos(A*π*x)+cos(B*π*y)+cos(C*π*z)))+(1-(1/(1+exp(k.*f))))*(sin(A*π*x)*sin(B*π*y)*sin(C*π*z)+sin(A*π*x)*cos(B*π*y)*cos(C*π*z)+cos(A*π*x)*sin(B*π*y)*cos(C*π*z)+cos(A*π*x)*cos(B*π*y)*sin(C*π*z))＝M，优选地，k＝10；f＝x；A＝B＝C＝2；M＝0.3179，网格密度点选用500时，总体孔隙率为80％。

所述冷流体通道中椭圆形韧带Kagome桁架结构尺寸为高度13.25mm、长轴长度与短轴长度比例2.04(以半长轴长度：半短轴长度＝1.428mm：0.7mm为例)，排列方式为每行个数与每列个数相等的矩形排列，个数为16个。

所述冷流体通道与热流体通道的个数相同，且个数均为4个，呈间隔排列，流动方式为叉流。

在热交换过程中，冷流体工质管道通过第一法兰与冷流体封头2相连，冷流体经过冷流体封头2内部空间进入芯体中的冷流体通道，由于热流体通道在冷流体进出口处装有封条4，所以冷流体工质不会进入热流体通道，在布置方式上，三条桁架的韧带在底面围成的正三角形中线与来流方向平行，并且设定椭圆形韧带的长轴与来流方向平行；热流体工质管道通过第二法兰与热流体封头3相连，热流体经过热流体封头3内部空间进入芯体中的热流体通道，由于冷流体通道在热流体入口处装有封条4，所以热流体工质不会进入冷流体通道，流体流动方向首先要经过D型三周期极小曲面结构，其次经过DP杂化结构，最后经P型三周期极小曲面结构流出换热芯体流进热流体封头3；冷热流体进入各自通道后，冷流体通道中冷流体在椭圆形韧带Kagome桁架结构的作用下产生更多的涡流，通过隔板7与热流体发生换热；热流体通道中的热流体在DP型杂化三周期极小曲面扰动结构作用下增加换热面积，增加流体扰动，湍流程度加大，通过隔板7与冷流体发生换热；如图3所示冷流体与热流体叉流流动，可以有效提高换热效率。热交换完成后，冷流体通过冷流体封头2内部空间流出换热器；热流体通过热流体封头3内部空间流出换热器。

对比例1

在实施例1的基础上，将上述实施例1中的DP型杂化三周期极小曲面扰动结构全部替换成传统P型三周期极小曲面扰动结构，出于轻量化要求，保证两种结构质量相等，孔隙率都为80％。对单层DP型杂化三周期极小曲面扰动结构在流动换热试验台中进行试验，对比分析两种结构的换热情况。

对比结果发现，选择单层结构在流道内进行试验验证。工质为空气，实验结果表明：在100W的底面加热功率下，来流体积流量分别为14.4m³/h，18m³/h，21.6m³/h，25.2m³/h，28.8m³/h。DP型杂化三周期极小曲面比传统P型极小曲面的表征传热性能的努塞尔数(Nu)分别高出13.22％，10.57％，7.86％，7.49％，6.9％。

对比例2

在实施例1的基础上，将上述实施例中的椭圆形韧带Kagome桁架结构全部替换为圆形韧带，两种桁架韧带的截面积相同，通过数值模拟的方法研究通道中的不同结构桁架流动换热性能差异。

对比结果发现，选择2*10个排列的桁架在流道内进行仿真对比验证，工质为空气，底面温度为573.15K，湍流模型采用标准k-ε模型，入口速度及出口压力边界条件，进行了网格无关性验证。仿真结果表明：在选取的速度范围5-17.5m/s的工况下，以综合换热性能η＝(Nu/Nu₀)/(f/f₀)^^(1/3)为评价指标，椭圆形韧带Kagome桁架结构相对于传统圆形韧带Kagome桁架结构综合换热性能的平均值高出16.3％。

航空飞机应用背景下，所述冷流体一般为大气空气，所述热流体一般为从航空发动机引出的高温空气。DP型杂化三周期极小曲面扰动结构和椭圆形韧带Kagome桁架结构的引入较大地增加了换热面积，提高换热效率，为解决航空飞机余热回收与燃油预热提供了新的思路。

Claims (11)

1.基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，包括芯体、封头、法兰（1）；其特征在于，所述芯体包括冷流体通道和热流体通道，冷流体通道内填充Kagome桁架结构，所述Kagome桁架结构的韧带横截面为椭圆形；热流体通道内填充DP型杂化三周期极小曲面扰动结构；所述DP型杂化三周期极小曲面扰动结构包括D型三周期极小曲面结构、基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构、P型三周期极小曲面结构，其中基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构位于D型三周期极小曲面结构和P型三周期极小曲面结构之间。

2.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述DP型杂化三周期极小曲面的基本控制方程为：

式中，为Sigmoid函数一般式，其中k是常数，用于控制杂化过渡区域长度；f是与x，y，z其中一个变量相关的函数，用于控制杂化方向；三角函数中A，B，C是常数，用于控制在x，y，z方向单位长度上晶格的个数；M是常数，用于控制整体结构的孔隙率，当极小曲面不具有厚度时，M=0。

3.根据权利要求2所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述DP型杂化三周期极小曲面的基本控制方程，k=5A，基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构占据DP型杂化三周期极小曲面扰动结构中的单个胞体。

4.根据权利要求2所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于，其中k=10；f=x；A=B=C=2；M=0.3179。

5.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于：换热器材质均为铝合金，其中DP型杂化三周期极小曲面扰动结构和所述Kagome桁架结构采用3D打印方式制造，各部件间连接方式为焊接。

6.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于：所述冷流体通道中Kagome桁架结构韧带的椭圆形横截面长轴与短轴的比例为2.04。

7.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于：沿着热流体流动方向，DP型三周期极小曲面扰动结构的布置方式依次为：D型三周期极小曲面结构、基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构、P型三周期极小曲面结构。

8.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于：所述冷流体流动方向分别与Kagome桁架结构三条韧带的沿椭圆形横截面长轴的纵向截面平行；同时冷流体流动方向还平行于三条韧带轴线在隔板端面交点所围成的正三角形的中线。

9.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于，所述冷流体通道和热流体通道间用隔板（7）隔开，不同通道进出口用封条（4）隔开，冷流体通道内插入韧带横截面为椭圆形的Kagome桁架结构；所述封头包括热流体封头（8）和冷流体封头（2）；法兰（1）包括热流体通道进出口法兰和冷流体通道进出口法兰共四个，无封头与法兰的侧面用挡板封装；冷热流体采用叉流布置。

10.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于：在填充的DP型杂化三周期极小曲面扰动结构中，D型三周期极小曲面结构占据总体积的2/5、基于Sigmoid函数杂化方法的DP杂化过渡结构占据总体积的1/5、P型三周期极小曲面结构占据总体积的2/5。

11.根据权利要求1所述的基于Sigmoid函数杂化方法的极小曲面与Kagome桁架结构的多孔介质换热器，其特征在于：冷流体工质管道通过第一法兰与冷流体封头（2）相连，冷流体经过冷流体封头（2）内部空间进入芯体中的冷流体通道；热流体工质管道通过第二法兰与热流体封头（3）相连，热流体经过热流体封头（3）内部空间进入芯体中的热流体通道；冷热流体进入各自通道后，冷流体通道中冷流体在韧带横截面为椭圆形的Kagome桁架结构的作用下通过隔板（7）与热流体发生换热；热流体通道中的热流体在DP型杂化三周期极小曲面扰动结构作用下通过隔板（7）与冷流体发生换热；热交换完成后，冷流体通过冷流体封头（2）内部空间流出换热器；热流体通过热流体封头（3）内部空间流出换热器。