一种增强整体热性能的构形截断肋结构制造技术

本发明专利技术一种增强整体热性能的构形截断肋结构，属于强化换热技术领域；在高温部件的冷却通道中设置有构形截断肋，所述构形截断肋按周期沿冷却通道底部壁面长度方向均布；每个周期包括8排截断肋片，沿着气流方向，奇数排的肋片被截断，形成被截断肋片和截断区域，且沿气流方向每排被截断肋片和截断区域的数量逐渐递增；被截断后各奇数排内位于截断区域的肋片均沿气流方向向下游平移，形成周期内的偶数排。相较于传统的连续直肋，本发明专利技术在截断区域产生的横向涡，使近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了冷却通道的换热性能和整体热性能。本发明专利技术结构简单，设计合理，适用于高温部件的内部冷却系统和强化换热系统。换热系统。换热系统。

【技术实现步骤摘要】
一种增强整体热性能的构形截断肋结构


[0001]本专利技术属于强化换热
，具体涉及一种增强整体热性能的构形截断肋结构。

技术介绍

[0002]肋片结构是实际工程应用中主要的强化换热技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片的内部冷却、超燃冲压发动机的再生冷却、太阳能空气加热器以及微型电子元器件的热沉中等。日渐攀升的燃气轮机涡轮前进口温度已经远远超过了涡轮叶片材料的耐受温度极限，发展高效的涡轮叶片冷却技术以降低叶片温度、延长其服役时间势在必行。高超声速飞行器由于飞行马赫数和巡航时间的增加，导致超燃冲压发动机所承受的热环境十分恶劣，再生冷却被认为是超燃冲压发动机的最佳冷却方式，探索高效的再生冷却系统成为超燃冲压发动机的关键科学技术难题。对于太阳能空气加热器而言，由于空气的导热系数小以致其对流换热系数小，设法强化空气与太阳能吸热板间的换热是提高空气加热器性能的关键。此外，现代大功率航空航天精密仪器、高强度激光器等设备内，微电子元器件向高度集成化和小型化发展，这导致器件的发热功率持续攀升，电子元器件的散热性能成为了制约微电子工业发展的瓶颈之一。
[0003]肋片的使用可以在内部通道中产生二次流，对流体产生扰动，也可以增大换热面积，从而达到增强通道换热性能的目的。但是肋片的布置，会增加通道的流阻，使通道内流体的压力损失增大。间断肋由于能够减小连续肋片通道的压力损失而被广泛的研究。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号201910344045.3，专利公开日期2019年7月23日，专利名称：一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，该专利在叶片主体结构设置U型叉壁，在左右侧壁与U型叉壁间均设置间断肋，并且间断肋成对设置。这种冷却方式对气流产生的扰动增强，使气体流动产生分离的程度变大，增强了流体的湍动度，强化了换热，降低了压损。但是，由于该结构中间断肋成对布置，并未对内部通道中间区域的流体产生扰动，因此在通道中间会形成一条低换热区域，降低了通道内换热的均匀性。针对这一问题，中国专利申请号202010992833.6，专利公开日期2021年1月5日，专利名称：一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，该专利在内冷通道中布置分形间断肋片，这种冷却方式对来流造成了持续的扰动，不断增加的间断区域有助于提高通道换热的均匀性。但是，与连续直肋相比，该结构间断区域肋片的缺失，减小了通道的换热面积。
[0004]此外，文献“Street network theory of organization in nature”(ASME Journal of Heat Transfer,2008年，第40期)首次运用构形理论来提高换热系统的换热性能，目前，构形理论已被广泛应用于工程和生活等多个领域，用于更好的组织人员、货物和信息的流动与连接。而文献“Design with constructal theory”(1
st International Workshop,2008)中指出当构形结构的分支的数量大于等于4时，构形结构能够提供更好的流体渗透性，且当下一级构形分支的长度为上一级构形分支长度的1/2时，构形结构的性能较优。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题：
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种增强整体热性能的构形截断肋结构，由于被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与边界层流体的掺混，提高了通道的换热性能和整体热性能。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种增强整体热性能的构形截断肋结构,在高温部件的冷却通道中设置有构形截断肋，所述构形截断肋按周期沿冷却通道底部壁面长度方向均布；其特征在于：每个周期包括8排截断肋片，沿着气流方向，奇数排的肋片被截断，形成被截断肋片和截断区域，且沿气流方向每排被截断肋片和截断区域的数量逐渐递增；被截断后各奇数排内位于截断区域的肋片均沿气流方向向下游平移，形成周期内的偶数排。
[0008]本专利技术的进一步技术方案是：所述奇数排的被截断肋片两端紧贴冷却通道的侧壁面，截断区域位于内部冷却通道中。
[0009]本专利技术的进一步技术方案是：所述周期内奇数排的截断区域沿气流方向组成构形结构，截断区域的数目依次分别为1，2，4，8。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述位于截断区域的肋片平移后与其上游被截断肋片的距离为D，相邻两排被截断肋片的间距为P，两者比例为1/5≤D/P≤4/5。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述周期内各奇数排中的截断区域的总长度相等，因此，各偶数排中截断区域的肋片总长度相等。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述周期内每个奇数排中的截断区域的总长度为L，冷却通道的宽度为W，满足1/5≤L/W≤1/2。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述截断肋片的高度为e，与相邻两排被截断肋片的间距P的比例关系为8≤P/e≤15。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述截断肋片的高度e与冷却通道的内部高度H的比例关系为1/10≤e/H≤1/4。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述截断肋片的截面形状任意。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述截断肋片为直肋或倾斜肋，作为直肋的截断肋片与冷却通道内右侧壁相垂直，作为倾斜肋的截断肋片与冷却通道内右侧壁成α夹角，夹角满足30
°
≤α≤90
°
。
[0017]有益效果
[0018]本专利技术的有益效果在于：首先，与光滑通道相比，截断肋片的布置增加了通道内的换热面积，增大了对流体的扰动作用，大幅提高了通道的对流换热性能。再次，与连续直肋片通道相比，截断肋片虽未明显增大通道换热面积，但是截断肋片区域诱导的横向涡对，对气流的扰流作用增强，加强了主流与边界层流体的掺混作用，增大了流体的湍流度，提高了通道的换热性能。再次，与间断肋片通道相比，截断区域的肋片没有移除，而是置于被截断肋片的下游，会对流体再一次产生扰动，起到强化换热的作用，最后，利用构形原理对肋片进行截断，沿流向方向对流体产生持续扰动，强化通道的换热。因此，本专利技术一种适增强整体热性能的构形截断肋结构具有高对流换热性能和高整体热性能等优点，换热性能、压力损失和整体热性能效果的提高见说明书附图图8。
[0019]本专利技术通过具体试验结果做出对比，相比于现有技术通道内换热增和整体热性能提高都有较大的提高，具体分析如下：
[0020]实施例1中，冷流体进去内部通道后，一部分流体流入截断区域，并在截断区域的两侧分别形成一对横向涡，附着于两个截断肋片的后方，缩小了肋后回流区，强化了换热，另一部分流过截断肋片，在截断肋片的上游和下游都产生回流区，并在相邻两排肋片之间出现再附着现象。被截断肋片下游截断区域肋片的存在，使冷却流体流动发生分离，在截断区域肋片的两端形成横向涡。横向涡的存在使得近壁面流动结构发生变化，加强了主流与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强整体热性能的构形截断肋结构,在高温部件的冷却通道中设置有构形截断肋，所述构形截断肋按周期沿冷却通道底部壁面长度方向均布；其特征在于：每个周期包括8排截断肋片，沿着气流方向，奇数排的肋片被截断，形成被截断肋片和截断区域，且沿气流方向每排被截断肋片和截断区域的数量逐渐递增；被截断后各奇数排内位于截断区域的肋片均沿气流方向向下游平移，形成周期内的偶数排。2.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述奇数排的被截断肋片两端紧贴冷却通道的侧壁面，截断区域位于内部冷却通道中。3.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述周期内奇数排的截断区域沿气流方向组成构形结构，截断区域的数目依次分别为1，2，4，8。4.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所述位于截断区域的肋片平移后与其上游被截断肋片的距离为D，相邻两排被截断肋片的间距为P，两者比例为1/5≤D/P≤4/5。5.根据权利要求1所述增强整体热性能的构形截断肋结构，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢公南，张国花，朱睿，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：