[發(fā)明專利]一種熱質(zhì)交換強(qiáng)化結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610682012.6
• 申請(qǐng)日: 2016-08-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106323078B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李平;張荻;謝永慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F28F13/02
• 分類號(hào): F28F13/02;F28F13/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

本發(fā)明公開(kāi)了一種熱質(zhì)交換強(qiáng)化結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，包括流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體、自射流通道和流動(dòng)通道；流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體為凸起型結(jié)構(gòu)，流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體設(shè)置在流動(dòng)通道內(nèi)或外壁上；流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體上貫穿布設(shè)連接來(lái)流主流與出口位置的自射流通道；所述出口位置為離渦或角渦的核心區(qū)與流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體的交界，或者尾跡與流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體的交界。本發(fā)明使用帶自射流的流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，可以在提高換熱性能的同時(shí)，使得流動(dòng)阻力增加較小，進(jìn)而可大幅提升通道的綜合傳熱傳質(zhì)效率，從而減小設(shè)備體積，提高其經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源動(dòng)力、石油化工、交通運(yùn)輸和航空航天等行業(yè)中的傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域，特別涉及一種熱質(zhì)交換強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

眾多工業(yè)領(lǐng)域，如能源、運(yùn)輸、微電子、化工、航天器熱控制和制造業(yè)等都涉及到能量與質(zhì)量傳遞過(guò)程，其中熱質(zhì)交換設(shè)備起到了十分關(guān)鍵的作用。而隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及能源問(wèn)題的日益突出，熱質(zhì)交換設(shè)備負(fù)荷逐漸增大，對(duì)系統(tǒng)效率提出了更高要求，因此強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工程界越來(lái)越多的重視。

采用流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，如球窩、球凸、肋片等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，是一種有效的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)。流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)以一定的規(guī)律布置在管道內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，在流體流過(guò)管道時(shí)，流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)會(huì)破壞流動(dòng)邊界層，避免了流動(dòng)邊界層的進(jìn)一步增厚，同時(shí)破壞溫度邊界層，促進(jìn)主流與壁面附近流體的能量交換，進(jìn)而提高熱流場(chǎng)中速度與溫度梯度的協(xié)同性，使得傳熱傳質(zhì)過(guò)程得以強(qiáng)化。

但是，另一方面，由于流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的引入，在強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程中，流體在流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)附近會(huì)出現(xiàn)不同程度的流動(dòng)分離現(xiàn)象，并且在其后形成尾跡，由于流動(dòng)的分離再附以及尾跡的影響，系統(tǒng)的流動(dòng)阻力出現(xiàn)不同程度的增加，而這主要?jiǎng)t是由于壓差阻力的大幅提升而引起的。因?yàn)椋黧w繞流時(shí)出現(xiàn)的分離泡和尾跡中強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的漩渦將不斷地消耗流體的機(jī)械能，導(dǎo)致其中壓強(qiáng)較低，從而物體表面前后的壓強(qiáng)不相等，形成壓差阻力，壓差阻力隨分離流動(dòng)和尾跡的強(qiáng)度和尺度的增加而增加。例如帶圓柱/方形肋和凸起等流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的通道內(nèi)流動(dòng)阻力便會(huì)出現(xiàn)急劇增加。

流動(dòng)阻力的增加將在很大程度上影響系統(tǒng)的綜合傳熱傳質(zhì)效率，進(jìn)而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。所以控制尾跡區(qū)的尺度和強(qiáng)度，降低壓差阻力的增長(zhǎng)程度，以使系統(tǒng)流動(dòng)阻力增加較小，同時(shí)保證強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程的有效進(jìn)行，將有利于大幅提升強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程的綜合效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種熱質(zhì)交換強(qiáng)化結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，能夠應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明為帶自射流的流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由凸起型流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)及其上布設(shè)的自射流通道組成。使用該帶自射流的流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，可以在提高換熱性能的同時(shí)，使得流動(dòng)阻力增加較小，進(jìn)而可大幅提升通道的綜合傳熱傳質(zhì)效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種熱質(zhì)交換強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，包括流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體、自射流通道和流動(dòng)通道；流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體為凸起型結(jié)構(gòu)，流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體設(shè)置在流動(dòng)通道內(nèi)或外壁上；流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體上貫穿布設(shè)連接來(lái)流主流與出口位置的自射流通道；所述出口位置為分離渦或角渦的核心區(qū)與流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體的交界，或者尾跡核心區(qū)與流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體的交界。

進(jìn)一步的，流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)母體的凸起型結(jié)構(gòu)為球凸、針肋、柱肋、梯形肋、擾流塊中的一種。

進(jìn)一步的，自射流通道的通道類型為均勻橫截面積的直通道或非均勻橫截面積的非直通道。

進(jìn)一步的，自射流通道內(nèi)部?jī)蓚?cè)壁面為光滑壁面或布設(shè)有流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)(圖中未給出)。

進(jìn)一步的，自射流通道內(nèi)部?jī)蓚?cè)壁面布設(shè)的流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)包括主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)和被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，自射流通道開(kāi)設(shè)方向與主流方向一致或與主流方向成一定夾角α，0＜α≤42.5°。