[發(fā)明專利]一種減小流動損失、強化沖擊換熱的凸起靶板結構

在審

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• 申請日: 2018-12-21
• 公開（公告）號: CN109737788A
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設計）人: 朱惠人;高強;吳若琳
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: F28D21/00
• 分類號: F28D21/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發(fā)明公開了一種減小流動損失、強化沖擊換熱的凸起靶板結構，通過在平面靶板上布設大小不同的圓錐形凸起結構；陣列射流沖擊該凸起靶板時，在靶板表面流速較低區(qū)域用圓錐形凸起結構取代低速流體以增強換熱能力，凸起的導流作用有助于減小流動損失，特別是圓錐形凸起區(qū)域的局部努賽爾數(shù)較平面靶板得以提高，同時換熱面積的增加使換熱量提高。該凸起靶板結構可改變沖擊流場結構，以改善換熱環(huán)境，保證較小的壓力損失，增強局部換熱。該結構在平面靶板上布設錐形凸起，原理簡單，加工難度較小；布置在靶板上的凸起結構的大小不盡相同，布設位置也有所不同，有效強化換熱能力，適用于航空發(fā)動機和電子器件中高溫部件的冷卻。

技術領域

本發(fā)明涉及航空發(fā)動機和電子器件的高溫部件冷卻技術，具體地說，涉及一種減小流動損失、強化沖擊換熱的凸起靶板結構。

技術背景

沖擊換熱可以理解為是當一股流體向與自身溫度不同的壁面即沖擊靶面時與該壁面進行熱交換的一種換熱形式。由于射流直接沖擊被冷卻的表面，射流出口速度較快且流程短，因而在駐點附近形成的流動邊界層很薄，沖擊換熱被認為是具有最強換熱效果的對流換熱形式。目前沖擊冷卻技術已得到廣泛應用，例如在航空發(fā)動機渦輪熱負荷最高處即葉片前緣，沖擊冷卻也應用于渦輪葉片的葉盆和葉背冷卻、電子芯片的冷卻諸多方面。

為了改善沖擊換熱的性能，可以在靶面設置擾流元件以增加靶版表面的粗糙度，而增加粗糙度的方式，一般是在靶面上布置不同種類的凹陷和凸起結構。目前國內外均對在靶板上布置凹陷和凸起結構的沖擊換熱情況進行有一定程度的研究。其中凹陷結構的一種是射流沖擊凹坑冷卻技術，即在靶面上按一定的排列規(guī)則加工出一定深度的凹坑，凹坑形狀一般為球面。靶板上凹坑的存在可以激發(fā)渦旋，強有力的渦旋能夠強化對流換熱，加快帶走壁面熱量的速率，實現(xiàn)有效冷卻的目的。靶板上的凹坑結構對流動的擾動較趨于近壁面化，所造成的壓力損失不會太大，但是強化換熱的效果會受到限制。

目前國內外對凸起靶板的研究主要包括在靶板表面布置擾流柱肋、針肋和各種類型的條形肋。肋的高度與沖擊間距的比例、以及肋的高度與肋間距的比例是在靶板上布置肋時需要仔細考慮的重要參數(shù)。靶板上肋的存在不僅可以對沖擊后流體的流動進行擾動，破壞壁面的流動邊界層，強化換熱速率，同時肋也增加了換熱面積，從而提高換熱量。但是肋的存在會在肋的前后形成固定的低速渦流區(qū)，增大了流動損失，在流動壓差相同的情況下，會減小流量，不利于沖擊換熱。因而在靶板上布置各種類型的肋雖然可以強化換熱效果，但是相對于平板會導致一定程度的流動損失。

發(fā)明內容

為了避免現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提出一種減小流動損失、強化沖擊換熱的凸起靶板結構。

本發(fā)明的思路是:在沖擊射流沖擊平面靶板時，在靶板表面流速較低區(qū)域用沖擊靶板上大凸圓錐結構取代低速流體，同時凸起的存在增大換熱面積和增大換熱量；沖擊靶板上小凸圓錐可削弱陣列沖擊時產生的橫流效應，增強兩股沖擊流在交界面區(qū)域的擾動，從而有效改善沖擊換熱效果，以達到減小流動損失、強化沖擊換熱的目的。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括沖擊板、沖擊靶板、沖擊靶板上大凸圓錐、沖擊靶板上小凸圓錐和陣列沖擊孔，其特征在于在沖擊靶板上布設若干大小不同的凸圓錐結構，用來增強沖擊換熱能力；其中，沖擊靶板上大凸圓錐的底面直徑為D1、高度為h1，沖擊靶板上小凸圓錐的底面直徑為D2、高度為h2，沖擊靶板上的大凸圓錐、沖擊靶板上小凸圓錐均以沖擊孔d為比例范圍；

陣列沖擊孔的布設形式為順排，沖擊孔直徑為d，x方向與y方向的沖擊孔間距均為10d，沖擊板與沖擊靶板間距為2d；

凸圓錐結構的布設形式為順排，沖擊靶板上大凸圓錐位于陣列沖擊孔的正下方，大凸圓錐的底面直徑D1取值范圍為3d～5d、高度h1取值范圍為0.1d～0.4d、小凸圓錐的底面直徑D2取值范圍為1d～2d、高度h1取值范圍為0.1d～0.2d。