一种热质交换强化结构及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种热质交换强化结构及其设计方法，包括流动控制结构母体、自射流通道和流动通道；流动控制结构母体为凸起型结构，流动控制结构母体设置在流动通道内或外壁上；流动控制结构母体上贯穿布设连接来流主流与出口位置的自射流通道；所述出口位置为离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界，或者尾迹与流动控制结构母体的交界。本发明专利技术使用带自射流的流动控制结构，可以在提高换热性能的同时，使得流动阻力增加较小，进而可大幅提升通道的综合传热传质效率，从而减小设备体积，提高其经济性和安全可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源动力、石油化工、交通运输和航空航天等行业中的传热传质领域，特别涉及一种热质交换强化结构。
技术介绍
众多工业领域，如能源、运输、微电子、化工、航天器热控制和制造业等都涉及到能量与质量传递过程，其中热质交换设备起到了十分关键的作用。而随着科学技术的快速发展以及能源问题的日益突出，热质交换设备负荷逐渐增大，对系统效率提出了更高要求，因此强化传热传质技术受到学术界和工程界越来越多的重视。采用流动控制结构，如球窝、球凸、肋片等结构，进行传热传质强化已经得到了广泛的研究和应用，是一种有效的强化传热传质技术。流动控制结构以一定的规律布置在管道内侧或者外侧，在流体流过管道时，流动控制结构会破坏流动边界层，避免了流动边界层的进一步增厚，同时破坏温度边界层，促进主流与壁面附近流体的能量交换，进而提高热流场中速度与温度梯度的协同性，使得传热传质过程得以强化。但是，另一方面，由于流动控制结构的引入，在强化传热传质过程中，流体在流动控制结构附近会出现不同程度的流动分离现象，并且在其后形成尾迹，由于流动的分离再附以及尾迹的影响，系统的流动阻力出现不同程度的增加，而这主要则是由于压差阻力的大幅提升而引起的。因为，流体绕流时出现的分离泡和尾迹中强烈运动的漩涡将不断地消耗流体的机械能，导致其中压强较低，从而物体表面前后的压强不相等，形成压差阻力，压差阻力随分离流动和尾迹的强度和尺度的增加而增加。例如带圆柱/方形肋和凸起等流动控制结构的通道内流动阻力便会出现急剧增加。流动阻力的增加将在很大程度上影响系统的综合传热传质效率，进而影响系统的经济性和安全可靠性。所以控制尾迹区的尺度和强度，降低压差阻力的增长程度，以使系统流动阻力增加较小，同时保证强化传热传质过程的有效进行，将有利于大幅提升强化传热传质过程的综合效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热质交换强化结构及其设计方法，能够应用于强化传热传质过程，以解决上述技术问题。本专利技术为带自射流的流动控制结构，该结构由凸起型流动控制结构及其上布设的自射流通道组成。使用该带自射流的流动控制结构，可以在提高换热性能的同时，使得流动阻力增加较小，进而可大幅提升通道的综合传热传质效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种热质交换强化结构，包括流动控制结构母体、自射流通道和流动通道；流动控制结构母体为凸起型结构，流动控制结构母体设置在流动通道内或外壁上；流动控制结构母体上贯穿布设连接来流主流与出口位置的自射流通道；所述出口位置为分离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界，或者尾迹核心区与流动控制结构母体的交界。进一步的，流动控制结构母体的凸起型结构为球凸、针肋、柱肋、梯形肋、扰流块中的一种。进一步的，自射流通道的通道类型为均匀横截面积的直通道或非均匀横截面积的非直通道。进一步的，自射流通道内部两侧壁面为光滑壁面或布设有流动控制结构(图中未给出)。进一步的，自射流通道内部两侧壁面布设的流动控制结构包括主动控制结构和被动控制结构。进一步的，自射流通道开设方向与主流方向一致或与主流方向成一定夹角α，0＜α≤42.5°。进一步的，自射流通道为一条通道居中布设或多条通道相对于流向中线对称布设。进一步的，自射流通道的宽度D与流动控制结构母体对主流的迎风面宽度Df满足D/Df＝0.03-0.38。进一步的，包括以下操作步骤：(1)首先选择凸起型流动控制结构母体的类型；(2)然后，分析布置凸起型流动控制结构母体情况下流场的流动结构，捕捉流场内在凸起型流动控制结构母体附近处流动的分离起始位置和再附位置，并获得尾迹区域的范围，以及尾迹的强度分布，同时得到表面传热传质系数分布图；(3)接下来设计自射流通道：根据步骤(2)获得的流动分离位置、尾迹区域及强度分布，绘制尾迹流动强度图，提取该图中尾迹核心区与流动控制结构母体的交界，并将该交界定位为射流通道的出口位置，而对于部分流动控制结构母体绕流或与通道边界相接位置出现分离涡或者角涡的情况，同样采取上述方式，也将分离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界定位为射流通道的出口位置；然后，将主流核心区与流动控制结构母体的交界定位为射流通道的进口位置区域；最后，以上述进出口位置贯穿整个流动控制结构母体形成自射流通道。本专利技术与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：1、本专利技术中，流体流经带自射流的流动控制结构时，流动边界层和热边界层被破坏，并且流体湍流度得到增强，因此，流体与通道间的传热传质系数得到提升；2、本专利技术中，主流流体由自射流通道直接流向下游，将主流高能流体引射入流动控制结构的尾迹中，降低了流动控制结构的压差阻力，进而降低系统流动阻力；3、本专利技术中，由于自射流通道的引入，增加了通道与流体间传热传质的有效面积，进一步提高了传热传质效果。4、本专利技术中，使用传统的圆柱肋、方形肋、V型肋和扰流块等流动控制结构的应用中，系统的传热传质系数较高，但同时流动阻力的增加也很大，而且，压差阻力在其流动总阻力中所占份额更大，因此，使用本结构改进上述流动控制结构的强化传热传质综合性能，效果更为明显。5、本专利技术中，在流动雷诺数较大时，使用宽自射流通道对称布置，可以有效地降低系统阻力增加程度，而且同时可以增加热质交换面积，对于强化热质传递过程，具有更为明显的优势。6、本专利技术中，依托主流能量进行调节和控制，系统中不需要引入额外能量输入，并未增加系统的复杂度。7、本专利技术适用于多种尺寸的通道。因此，使用该带自射流的流动控制结构，可以在提高换热性能的同时，使得流动阻力增加较小，进而可大幅提升通道的综合传热传质效率，从而减小设备体积，提高其经济性和安全可靠性。附图说明图1是以方形通道内部布置带直自射流通道的球凸结构的一个周期性单元的结构；图2是以方形通道内部布置带直自射流通道的扰流圆柱的一个周期性单元的结构；图3是以方形通道内部布置带直自射流通道的柱肋的一个周期性单元的结构；图4是以方形通道内部布置带直自射流通道的方形扰流块的一个周期性单元的结构；图5是以方形通道内部布置带直自射流通道的半圆柱凸槽的一个周期性单元的结构。其中1、流动控制结构母体；2、自射流通道；3、流动通道。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步描述。请参阅图1至图5所示，本专利技术一种热质交换强化结构，即带自射流的流动控制结构，由凸起型流动控制结构母体1及其上贯穿布设的自射流通道2组成，自射流通道2贯穿连通来流主流与流动控制结构的尾迹等区域。可以适用于多种工质在多种尺寸通道的管内或者管外传热传质过程。布置凸起型流动控制结构母体1进行传热传质的常规情况下，流体流动结构受流动控制结构和工况条件(如流态、工质、通道形状和布置位置等)的影响，进而影响到流动的分离再附和尾迹的强度和尺度；使用本专利技术所提的结构时，需根据应用环境选择凸起型流动控制结构母体和自射流通道型式，保证在传热传质显著强化的情况下，流动阻力增加较小。凸起型流动控制结构母体1可以选择球凸、针肋、柱肋、梯形肋和扰流块等结构。自射流通道2可以是均匀横截面积的直通道，或者是非均匀横截面积的非直通道；自射流通道2内部两侧壁面可以是光滑壁面，或者其内部两侧壁面布设流动控制结构，包括主动控制和被动控制结构；自射流通道2开设方向可以与主流方向(Z轴方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热质交换强化结构，其特征在于：包括流动控制结构母体(1)、自射流通道(2)和流动通道(3)；流动控制结构母体(1)为凸起型结构，流动控制结构母体(1)设置在流动通道(3)内或外壁上；流动控制结构母体(1)上贯穿布设连接来流主流与出口位置的自射流通道(2)；所述出口位置为分离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界，或者尾迹核心区与流动控制结构母体的交界。

【技术特征摘要】
1.一种热质交换强化结构，其特征在于：包括流动控制结构母体(1)、自射流通道(2)和流动通道(3)；流动控制结构母体(1)为凸起型结构，流动控制结构母体(1)设置在流动通道(3)内或外壁上；流动控制结构母体(1)上贯穿布设连接来流主流与出口位置的自射流通道(2)；所述出口位置为分离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界，或者尾迹核心区与流动控制结构母体的交界。2.根据权利要求1所述的一种热质交换强化结构，其特征在于：流动控制结构母体(1)的凸起型结构为球凸、针肋、柱肋、梯形肋、扰流块中的一种。3.根据权利要求1所述的一种热质交换强化结构，其特征在于：自射流通道(2)的通道类型为均匀横截面积的直通道或非均匀横截面积的非直通道。4.根据权利要求1所述的一种热质交换强化结构，其特征在于：自射流通道(2)内部两侧壁面为光滑壁面或布设有流动控制结构。5.根据权利要求4所述的一种热质交换强化结构，其特征在于：自射流通道(2)内部两侧壁面布设的流动控制结构包括主动控制结构和被动控制结构。6.根据权利要求1所述的一种热质交换强化结构，其特征在于：自射流通道(2)开设方向与主流方向一致或与主流方向成一定夹角α，0<α≤42.5°。7.根据权利要求1所述的一种热质交换强化结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，张荻，谢永慧，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61