一种波状曲线微通道及预冷器

1.本发明属于预冷器传热通道领域，具体是涉及到一种波状曲线微通道及预冷器。


背景技术：

2.预冷器是预冷型组合循环发动机的核心部件，强化换热需求是预冷器结构设计的最大挑战之一。目前，常规尺度通道的传热能力已无法满足预冷器中传热通道的传热需求。tuckerman和pease最早利用以水为冷却剂的微通道对电子电路进行传热研究，表明了微通道具有极高的传热能力。rel公司通过对微通道组成的传热单元jmhx(sabre预冷器能力测试模块)进行实验，验证了在预冷器的结构设计中使用微通道可以极大的提高表面积体积比和传热能力，揭示了微通道在小体积轻质高效预冷器设计中的应用前景。
3.传统的微通道换热器一般为单一截面的平直通道，例如一些矩形、三角形、圆形、梯形的截面。虽然它们都具有较好的传热特性，但是存在一些不足之处：例如：冷却剂在通道内的流线几乎是平直的，导致流体混合不均匀，并且沿流动方向随着热边界层的增厚极有可能导致传热恶化。研究发现，在微通道内开设凹槽、添加翅片或肋片、增设多孔介质、加工粗糙表面等能中断和发展热边界层，促进涡流的产生和流体的混合，从而提到微通道的传热性能。
4.为了进一步实现微通道强化传热，学者们提出曲线微通道构型方案，发现相比于平直微通道，曲线通道在紧凑的空间内往往具有更大的传热面积和更高的传热速率。研究认为曲线通道内离心力导致的二次流动强化了壁面附近和主流区域的流动混合，强化了换热能力。sui等基于实验和数值模拟计算结果详细阐释了正弦曲线微通道传热性能好的原因，流道的弯曲导致在垂直于流动方向上的截面上会有横向涡产生，这种横向涡叫做迪恩涡，大小和数量跟雷诺数密切相关。沿流动方向还有可能变化生长为混沌的对流。之后便有学者进一步提出，振幅越大的正弦曲线换热性能越好。
5.对于曲线型微通道来说，离心力的引入导致流动和热边界层变薄，实现了强化换热。而随着通道曲率的降低，离心力和二次流动将会弱化，从而导致热边界层变厚、换热恶化。而在实际应用中，曲线通道曲率的下降往往是不可避免的。例如，最常见的螺旋型曲线通道，通道曲率随着主流方向逐渐降低，导致传热能力极大弱化。因此如何利用好曲线通道相对于平直通道的传热优势、同时避免由于曲率改变导致的二次流削弱、热边界层变厚成为曲线型微通道构型设计的一个重要且极具应用前景的问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种在曲线通道整体曲率下降的前提下仍然具有良好传热能力的波状曲线微通道及预冷器。
7.本发明提供一种波状曲线微通道，所述微通道包括多个变振幅波峰-波谷结构，所述微通道横截面构型在极坐标系下满足构型方程式：
8.9.式中，r为波状曲线微通道的极径，θ为极角；
10.a、b为阿基米德螺线，即未叠加波峰-波谷结构的光滑曲线通道方程参数，a、b均为正值；
11.n为变振幅波峰-波谷结构数目；
12.a为n个波峰-波谷结构中的最大振幅，a不等于0；
13.θ1为1/2最大极角。
14.更进一步地，所述微通道的横截面为矩形。
15.更进一步地，所述微通道的横截面满足通道截面方程式：
[0016][0017]
式中，l
in
为矩形流道的长，w
in
为矩形流道的宽，dh表示通道的当量直径，即矩形通道的大小。
[0018]
更进一步地，所述微通道包括5个波峰-波谷结构。
[0019]
更进一步地，所述微通道两端设置有接口。
[0020]
更进一步地，所述微通道采用3d打印一体加工成型。
[0021]
本发明还提供一种预冷器，包括上述波状曲线微通道。
[0022]
本发明的有益效果是，本发明在紧凑型微通道预冷器基础上，对其中冷却剂流动的光滑曲线微通道进行优化设计，在一定水力直径矩形等截面通道上附加变振幅的波状结构，获得采用振幅随着极角变化的变振幅波峰-波谷结构构型。
[0023]
本发明所提供的微通道，整体呈现曲线通道结构，相比于常规平直通道能够减小热边界层厚度、增强壁面和主流区域的流动混合效果、提升传热性能。同时在整体曲线通道构型的基础上还叠加变振幅波峰-波谷结构，一方面避免常规曲线通道容易出现曲率随着流动方向逐渐降低的不足，另一方面避免等振幅波峰-波谷结构容易在微通道轴心处发生干涉的问题。最终得到了流动混合效果好、传热能力强的微通道构型。
附图说明
[0024]
附图1为现有技术中光滑曲线微通道一构型示意图；
[0025]
附图2为本发明实施例一波状曲线微通道构型示意图；
[0026]
附图3为图2中a处的纵截面示意图；
[0027]
附图4为本发明实施例二波状曲线微通道二构型示意图；
[0028]
附图5为本发明实施例三波状曲线微通道三构型示意图；
[0029]
附图6为本发明实施例四波状曲线微通道四构型示意图；
[0030]
附图7为图2中安装接口后的结构示意图；
[0031]
附图8为光滑曲线微通道中沿流动方向的曲率半径变化规律示意图；
[0032]
附图9为其中一个实施例中n个波峰-波谷结构中的最大振幅的波状曲线微通道中沿流动方向的曲率半径变化规律示意图；
[0033]
附图10其中一个实施例中n个波峰-波谷结构中的最大振幅的波状曲线微通道中沿流动方向的曲率半径变化规律示意图；
[0034]
附图11为单相流动传热瞬时局部传热系数变化情况示意图；
[0035]
附图12为光滑曲线微通道中平均传热系数分布图；
[0036]
附图13为其中一个实施例中n个波峰-波谷结构中的最大振幅(2mm)的波状曲线微通道中平均传热系数分布图；
[0037]
附图14为其中一个实施例中n个波峰-波谷结构中的最大振幅(3mm)的波状曲线微通道中平均传热系数分布图。
[0038]
在图中，1-微通道；2-接口。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0041]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0042]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0044]
如附图2-14所示，本发明提供一种波状曲线微通道，所述微通道1包括多个变振幅波峰-波谷结构，所述微通道1横截面构型在极坐标系下满足构型方程式：
[0045][0046]
式中，r为波状曲线微通道的极径，θ为极角；
[0047]
a、b为阿基米德螺线，即未叠加波峰-波谷结构的光滑曲线通道方程参数，a、b均为正值；
[0048]
n为变振幅波峰-波谷结构数目，其中，变振幅指每两个波峰-波谷结构的振幅不一致，且单个波峰-波谷结构的振幅，即离开平衡位置的最大距离跟通道极角有关的，并不是一个常值；
[0049]
a为n个波峰-波谷结构中的最大振幅，a不等于0；
[0050]
θ1为1/2最大极角。
[0051]
式中，阿基米德螺线a、b，变振幅波峰-波谷结构数目n，n个波峰-波谷结构中的最
大振幅a为根据实际尺寸需要确定的设定参数，极径r，极角θ，1/2最大极角θ1根据构型方程式和设定参数所获得的获得参数，因此，本发明仅需根据实际尺寸需要输入设定参数至构型方程后，既可以最终获得微通道构型。
[0052]
参考图1，当a＝0mm时，表示微通道未叠加波峰-波谷结构，仅为由阿基米德螺线方程控制的光滑曲线通道；
[0053]
当a≠0mm时，表示带有波峰-波谷结构的曲线通道，如图2所示，为按照构型方程式要求得到的其中一种波状曲线微通道结构简图。
[0054]
本发明在紧凑型微通道预冷器基础上，对其中冷却剂流动的光滑曲线微通道进行优化设计，在一定水力直径矩形等截面通道上附加变振幅的波状结构，获得采用振幅随着极角变化的变振幅波峰-波谷结构构型。
[0055]
本发明所提供的微通道，整体呈现曲线通道结构，相比于常规平直通道能够减小热边界层厚度、增强壁面和主流区域的流动混合效果、提升传热性能。同时在整体曲线通道构型的基础上还叠加变振幅波峰-波谷结构，一方面避免常规曲线通道容易出现曲率随着流动方向逐渐降低的不足，另一方面避免等振幅波峰-波谷结构容易在微通道轴心处发生干涉的问题。最终得到了流动混合效果好、传热能力强的微通道1构型。
[0056]
在其中一个实施例中，参考图3，所述微通道1的横截面为矩形，微通道1的横截面采用矩形，便于生产加工。
[0057]
在其中一个实施例中，参考图3，微通道1的横截面为矩形时，满足如下通道截面方程式：
[0058][0059]
式中，l
in
为矩形流道的长，w
in
为矩形流道的宽，dh表示通道的当量直径，即矩形通道的大小。
[0060]
参考图7，在其中一个实施例中，所述微通道1两端设置有接口2，便于使该微通道1与预冷器的其他管路进行连通。
[0061]
在其中一个实施例中，所述微通道1采用3d打印一体加工成型，优选使用gh3536高温合金材质制成，该材料在加工工艺和传热性能上均能满足预冷器微通道单元的设计需求。
[0062]
在其中一个实施例中，所述微通道1包括5个波峰-波谷结构，具体参考图3-图5所提供的构型图。
[0063]
本发明还提供一种预冷器，包括上述波状曲线微通道
[0064]
本发明还提供一种具体实施例进行对比和试验，具体如下：
[0065]
图1为矩形截面下的光滑曲线微通道构型图，图4-图6为三种不同尺寸参数的波状曲线微通道构型图，上述四种微通道构型对应的实验段构型参数如表1所示：
[0066]
表1微通道构型参数
[0067]
微通道对应附图a/mmb/mmw
in
/mml
in
/mmdh/mma/mmdw/mmnθ/
°
微通道一图180400.821.1400.50106微通道二图480400.821.1420.55106微通道三图580400.821.1430.55106
微通道四图680400.841.3320.55106
[0068]
针对上表1所提供的四种微通道构型进行实验和验证，发现叠加了变振幅波峰-波谷结构的螺线曲线微通道相对于光滑曲线通道具有更好的传热性能，是一种实用的预冷器传热单元设计构型方案，结果如下所示：
[0069]
(1)微通道构型沿程曲率半径变化
[0070]
图8为光滑曲线微通道(微通道一)中沿流动方向的曲率半径变化规律示意图，图9为波峰-波谷结构中的最大振幅为2mm的波状曲线微通道(微通道二和微通道三)中沿流动方向的曲率半径变化规律示意图，图10为波峰-波谷结构中的最大振幅为3mm的波状曲线微通道(微通道四)中沿流动方向的曲率半径变化规律示意图。
[0071]
根据图8-图10可知，对于光滑曲线微通道(微通道一)来说，随着弧度位置向下游移动曲率半径的减小速度逐渐变缓。相对于光滑曲线来说，叠加了波峰-波谷结构的波状曲线微通道(微通道二、微通道三和微通道四)使得沿程大部分区域保持在较低的曲率半径，大幅度小于基础光滑曲线微通道构型的曲率半径。由于局部迪恩数随着曲率半径的降低而增大，因此从整体来看，引入波峰-波谷结构会增加沿程的迪恩数，加强流动混合，主流受离心力影响在通道局部和整体的二次流动得到显著增强。
[0072]
(2)局部传热特性
[0073]
如图11为单相流动传热瞬时局部传热系数变化情况示意图。
[0074]
根据图11可知，构型的改变导致局部传热特性明显变化。常规平直通道(图中未示出)，由于流动向下游发展热边界层变厚，对流传热系数沿程不断下降。而光滑曲线通道由于曲率半径随弧度位置的增加而不断减小，其局部位置迪恩数沿程不断增加，由此离心力诱发的二次流对主流的扰动加强，对应局部位置的迪恩涡影响增强，加强了近壁面流体与主流的掺混，破坏热边界层，从而使局部传热系数在较大的弧度范围内保持始终增加的趋势，但随着流动进一步向通道下游发展，热边界层充分发展厚度显著增加，同时由于该光滑曲线通道的曲率半径的减小趋势放缓，即局部迪恩数增长幅度逐渐变弱，二次流对流通截面的扰动范围无法进一步提升，对热边界层的干扰程度减小，局部传热系数出现缓慢下降。
[0075]
对于波状曲线通道，由于引入波状结构在原有构型曲率的基础上叠加了振幅结构的曲率，使波峰波谷位置曲率半径显著减小，局部迪恩数大幅增加，在和光滑曲线通道相同的工况下，其局部传热特性产生明显改变，壁面温度发生波动的同时，其在波峰波谷处的局部传热系数发生振荡，波谷附加的曲率对光滑曲线通道基础构型曲率削弱，波峰处附加曲率对基础构型曲率加强，导致波谷处二次流扰动减弱，涡影响范围减小，局部传热系数小幅度下降，波峰处由于振幅和基础曲率的叠加使局部迪恩数出现大幅度增加，传热系数大幅提升。同时由于振幅引起的扰动影响程度较大，上游振幅对流动产生的涡流随下游振幅进一步传递放大，从而维持了局部传热系数上升的趋势。
[0076]
(3)平均传热特性
[0077]
图12为光滑曲线微通道中平均传热系数分布图，图12为波峰-波谷结构中的最大振幅为2mm的波状曲线微通道(微通道二和微通道三)中平均传热系数分布图，图13为波峰-波谷结构中的最大振幅为3mm的波状曲线微通道(微通道四)中平均传热系数分布图。
[0078]
由图可知，与基础构型光滑曲线微通道相比，在相近雷诺数re≈35时，2mm振幅波状曲线微通道的平均传热系数提升1.5％，3mm振幅波状曲线微通道的平均传热系数提升
3.5％。当雷诺数上升到re≈101时，对应的平均传热增强幅度可分别达到19％和23％，这表明引入波状结构改变局部曲率半径增强了二次流动，对微通道的平均传热能力有促进作用，且随着流动速度的加快，传热增强的幅度显著提升。
[0079]
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种波状曲线微通道，其特征是，所述微通道(1)包括多个变振幅波峰-波谷结构，所述微通道(1)横截面构型在极坐标系下满足构型方程式：式中，r为波状曲线微通道的极径，θ为极角；a、b为阿基米德螺线，即未叠加波峰-波谷结构的光滑曲线通道方程参数，a、b均为正值；n为变振幅波峰-波谷结构数目；a为n个波峰-波谷结构中的最大振幅，a不等于0；θ1为1/2最大极角。2.如权利要求1所述的波状曲线微通道，其特征是，所述微通道(1)的横截面为矩形。3.如权利要求2所述的波状曲线微通道，其特征是，所述微通道(1)的横截面满足通道截面方程式：式中，l
in
为矩形流道的长，w
in
为矩形流道的宽，d
h
表示通道的当量直径。4.如权利要求1-3任一项所述的波状曲线微通道，其特征是，所述微通道(1)包括5个波峰-波谷结构。5.如权利要求1-3任一项所述的波状曲线微通道，其特征是，所述微通道(1)两端设置有接口(2)。6.如权利要求1-3任一项所述的波状曲线微通道，其特征是，所述微通道(1)采用3d打印一体加工成型。7.一种预冷器，其特征是，包括如权利要求1-6任一项所述的波状曲线微通道。

技术总结
本发明属于预冷器传热通道领域，具体是涉及到一种波状曲线微通道，所述微通道包括多个变振幅波峰-波谷结构，所述微通道横截面构型在极坐标系下满足构型方程式。本发明所提供的微通道，整体呈现曲线通道结构，相比于常规平直通道能够减小热边界层厚度、增强壁面和主流区域的流动混合效果、提升传热性能。同时在整体曲线通道构型的基础上还叠加变振幅波峰-波谷结构，一方面避免常规曲线通道容易出现曲率随着流动方向逐渐降低的不足，另一方面避免等振幅波峰-波谷结构容易在微通道轴心处发生干涉的问题。最终得到了流动混合效果好、传热能力强的微通道构型。力强的微通道构型。力强的微通道构型。


技术研发人员：岳晓菲 汪元 魏铭 张多 赵普君
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/7/21