[發明專利]動態控制圓柱渦流發生器的湍流強化傳熱裝置及其工作方法

有效

• 申請號: 202010179798.6
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111397428B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 張小兵;謝鵬勇
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: F28F13/12
• 分類號: F28F13/12;F28F27/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張祥

本發明公開了一種動態控制圓柱渦流發生器的湍流強化傳熱裝置及其工作方法，裝置包括圓柱渦流發生器、密封裝置和動態控制結構，圓柱渦流發生器包括在傳熱面上設置的多排圓柱體，每個圓柱體的底部與一個設置在所述傳熱裝置內的動態控制結構連接，每個圓柱體與傳熱面之間設置有一個密封裝置，動態控制結構能夠控制圓柱體自傳熱面伸出和縮回。本發明采用動態的渦流控制技術實現動態控制流動渦旋的變化，將動態機械控制與流動傳熱相結合，通過動態擾流作用減小流動方向與流體溫度梯度間的夾角，從而有效提高對流換熱能力，可以避免局部傳熱惡化現象的發生，有較強的動態控制能力。

技術領域

本發明屬于換熱器技術領域，具體涉及一種動態控制圓柱渦流發生器的湍流強化傳熱裝置及其工作方法。

背景技術

換熱器是將熱量從一種載熱介質傳給另一種載熱介質的裝置。各行各業，對于換熱器性能的需求不同，因此各式各樣的換熱器結構被設計和應用。高超聲速的發動機領域對高效換熱器有著極大的需求。

在航空發動機領域，發動機室壁的不同位置可能遭受著極高的動態變化的熱流密度，傳統的提高換熱能力的方法采用的是固定式的渦流發生器來強化傳熱能力。然而，由于熱流密度的動態變化，固定式的渦流發生器已經不能滿足需求，并且由于固定式的渦流發生器不能隨著熱流密度的變化動態改變渦流發生器的結構，使流動產生很多不必要的能量消耗。例如當熱流密度減低時如果采用尺寸較大的渦流發生器，盡管換熱能力達到要求，但同時會造成嚴重的能量損失。反之不能滿足要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高流動強化傳熱性能的動態控制圓柱渦流發生器的湍流強化傳熱裝置及其工作方法。

本發明所采用的技術方案是：一種動態控制圓柱渦流發生器的湍流強化傳熱裝置，包括圓柱渦流發生器、密封裝置和動態控制結構，所述圓柱渦流發生器包括在傳熱面上設置的多排圓柱體，每個圓柱體的底部與一個設置在所述傳熱裝置內的動態控制結構連接，每個所述圓柱體與傳熱面之間設置有一個所述密封裝置，所述動態控制結構能夠控制所述圓柱體自傳熱面伸出和縮回。

進一步地，所述動態控制結構包括連桿裝置、凸輪和滑動導軌，所述凸輪的回轉中心與連桿裝置的一端連接，所述連桿裝置的另一端與所述圓柱體的底部連接，所述圓柱體能夠沿滑動導軌做往復運動。

進一步地，所述凸輪由電機驅動，所述電機的轉速可調。

進一步地，所述多排圓柱體沿冷卻流體流動方向依次等間距設置。

進一步地，相鄰兩排的圓柱體沿冷卻流體流動方向交錯布置。

進一步地，相鄰兩排圓柱體的振動頻率不同。

進一步地，沿冷卻流體流動方向，單數排圓柱體的振動頻率為100Hz，雙數排圓柱體的振動頻率為200Hz。

進一步地，所述圓柱體的半徑為：0＜r≤2mm。

進一步地，所述圓柱體的高度最大為2mm。

根據上述所述的動態控制圓柱渦流發生器的湍流強化傳熱裝置的工作方法，通過控制所述凸輪的轉動頻率和連桿裝置的長度來實現所述圓柱體自傳熱面伸出和縮回的往復運動，當熱流密度高時，提高所述圓柱體的振動頻率和/或振幅，當熱流密度低時，減小所述圓柱體的振動頻率和/或振幅。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明在傳熱面上設置多排圓柱體并通過動態控制結構控制所述圓柱體自傳熱面做伸出和縮回的往復運動，能夠實現流動渦旋的動態變化，有利于減少或者消除局部傳熱惡化現象，避免出現流動傳熱惡化區域；

(2)本發明當熱流密度高時，提高圓柱體的振動頻率和/或振幅，從而加強流體擾動，可以提高對流換熱系數，實現流動傳熱的強化，當熱流密度低時，減小所述圓柱體的振動頻率和/或振幅，免產生過多的能量損失與消耗，提高換熱器綜合換熱性能。