一种偏流板的制作方法

本发明涉及一种偏流板，具体涉及的是一种利用闭合回路脉动热管和固液相变材料相结合实现热扩散、利用流动海水通过蜂窝式分形流道网络冷却的偏流板。

背景技术：

喷气偏流板是保障舰载机在航母上安全连续起飞所必备的一项关键设备，其作用是将舰载机准备起飞时由喷气发动机喷射出的高温高速燃气向上和向外偏流。对偏流板进行优化设计，是保护舰载机后方飞行甲板上的人员、设备及其他飞机并且提高其换热效能以节能减排的一个重要举措。

由于航母上的飞机起飞间隔很短，并且偏流板表面的温度不能够高于飞机轮胎不受损害的最高温度，所以偏流板在吸收上一架飞机喷射燃气带来的热流之后，要迅速冷却到下一架飞机轮胎所能承受的温度范围内，这就要求偏流板不但具有耐高温、耐冲击，而且有均温性强，热效率高，热应力小的特点。目前所使用的大多数偏流板主要依靠金属材料的导热传递热量，受到材料本身导热能力的限制，往往有着热量散发慢、板材易损坏、使用寿命短等特点，既增加了偏流板的成本，又使得航母的作战能力下降。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种新型的利用闭合回路脉动热管和固液相变材料相结合实现热扩散、利用流动海水通过蜂窝式分形流道网络冷却的偏流板。

为解决偏流板设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种偏流板，包括热扩散层、结构层和冷却层，所述结构层设置在所述热扩散层和冷却层的之间；所述热扩散层包括至少一个热扩散模块，该热扩散模块包括闭合回路脉动热管和固液相变材料，所述闭合回路脉动热管具有密闭的蛇形空间，所述固液相变材料分段填充在所述蛇形空间内，所述蛇形空间的下半段为加热段，所述蛇形空间的上半段为冷凝段；所述结构层为点阵夹层结构，包括上面板、下面板、胞元和固液相变材料，所述胞元以阵列的形式分布在所述上面板和下面板所夹的空间内，所述固液相变材料填充在所述结构层非胞元空间内；所述冷却层包括海水冷却板和海水输送泵，所述海水冷却板包括进水口、出水口、分水槽、集水槽和蜂窝式分形流道网络，蜂窝式分形流道网络由离散的蜂窝单元构成，在蜂窝单元之间形成分形流道，所述分水槽和集水槽位于所述蜂窝式分形流道网络的两侧，所述进水口连接所述分水槽，所述出水口连接所述集水槽，所述海水输送泵通过海水输送管道和海水冷却板的进水口相连接；所述胞元由三根完全相同的斜圆柱体杆件在斜圆柱体杆件的中心相交拼合而成，所述胞元的相对密度ρ为：

式中，ω为斜圆柱体杆件与所述上面板、下面板的夹角；d为斜圆柱体杆件的直径；h为上面板、下面板之间最短直线距离。

40°＜ω＜60°。

所述闭合回路脉动热管以模块的形式配置在所述热扩散层上，所述闭合回路脉动热管的数量为m，m＞2，且m为整数。

所述胞元数量为4n个，n≥1，且n为整数。

所述蜂窝式分形流道网络分形层数为k，2≤k＜8，且k为整数；所述蜂窝式分形流道网络的维数d＝2.585。

闭合回路脉动热管被要求在逆重力环境下保持正常工作，即所述闭合回路脉动热管传热性能与倾角无关，在相同条件下底部加热、水平加热和顶部加热时所述闭合回路脉动热管的传热能力接近，要求弯头数目大于临界弯头数，所述临界弯头数可以参考charoensawan等分析得到的临界弯头数的实验关联式。所述闭合回路脉动热管管径的大小既要保证管内能够形成液塞，又不能产生太大的流动阻力，可以采用的管径大小满足0.7＜bond＜2，式中bond数为管内的粘滞系数是量纲为1的数。所述闭合回路脉动热管的充液量既要保证热管可以在较低的热流密度下启动，又要保证热管不能被烧干。最佳充液量与工质，弯头数和加热方式有关，可以取50％～70％。所述闭合回路脉动热管的倾斜角取决于偏流板的倾斜角，为了防止烧干的现象以及偏流燃气来保护甲板上的设备和工作人员，可以取45°～60°。所述的闭合回路脉动热管可以采用的工质有水、乙醇、fc-72、r-123、r141b等。

固液相变材料可以使用无机盐高温相变材料50％nacl+50％mgcl2，熔点273℃，融化热429kj·kg^-1。

胞元的相对密度

杆件与面板的夹角ω可以取40°～60°，ρ可以相对应取8％左右，所述结构层模块轻量化性能卓越。胞元材料可以使用302不锈钢。

所述蜂窝式分形流道网络分形层数为k。所述蜂窝式分形流道网络中流体与固体的换热面积随k的增大而增大，但考虑到实际生产过程中加工难度，2≤k＜8，且k为整数。所述蜂窝式分形流道网络的生成过程为：①将第0层正六边形(基形)的每一条边长a0作为第1层结构中正六边形的长对角线，用边长为a0/2的正六边形依次替代基形的每一边，即得第1层结构；②同理，以第(k-1)层结构正六边形的每一边作为第k层结构中正六边形的长对角线，以边长为(a0/2k)的正六边形依次替代第(k-1)层结构中的每一边，即得第k层分形网络。对于任意k层蜂窝式分形结构，蜂窝单元总数u为

u＝6^k+1(2)

蜂窝总边长数k为

k＝3·2^k+2^2k+2^2k+3(3)

第k+1层蜂窝式分形结构与第k层蜂窝式分形结构的边长之比

所述蜂窝式分形流道网络的维数d为

所述的海水回收管道截面为圆形，连接所述出水口与海水。

所述的海水冷却板使用强制对流换热。

本发明所述的热扩散层包括闭合回路脉动热管、固液相变材料。高温燃气以一定入射角(与所述偏流板倾斜角相等)冲击所述偏流板中心，所述的闭合回路脉动热管受到热流冲击。所述闭合回路脉动热管在任意部位加热是传热特性几乎不变。所述闭合回路脉动热管的蒸发段液体工质吸热相变产生气泡，迅速膨胀升压并推动工质流向冷凝段；冷凝段气泡/气塞冷却收缩甚至消亡，压力下降。所述闭合回路脉动热管各管间形成的压差和压力波动使工质在冷热段间来回振荡运动，实现热量的扩散传递，使得所述偏流板具有很好的均热性。所述固液相变材料一方面受到热流冲击和所述闭合回路脉动热管导热获得热量，达到熔点且吸收大量热量，由固相相位为液相；一方面与流动海水强制对流换热，在两架飞机起飞间隙即前一架飞机起飞完成、后一架飞机尚未起飞之间的时间，完成液相重新凝结为固相的过程，释放所储存热量，冷却到不损害飞机轮胎最高温度以下。

所述结构层受到燃气冲击，冲量作用在所述上面板上，所述胞元受到压缩，在所述胞元与所述上面板、下面板连接处出现应力集中，由于所述胞元具有较高的比强度和比刚度，所以引起的所述结构层的塑性弯曲和拉伸很微小，在所述上面板、下面板与所述斜圆柱体杆件连接处的塑性应变不会超过1％，有效的保护了配置在所述结构层下侧的所述冷却模块。

所述的冷却模块包括海水冷却板和海水输送泵，所述的海水冷却板包括进水口，出水口，分水槽，集水槽，蜂窝式分形流道网络和海水回收管道，所述的海水输送泵通过海水输送管道和海水冷却板相连接。所述偏流板工作时间内，所述海水输送泵通过所述海水输送管道输出海水至所述出水口，经过所述分水槽，流入所述蜂窝式分形流道网络，由于蜂窝式分形流道网络相比于传统平行阵列流道有这大得多的传热面积，所以在相同传热条件下所能带走的热量大致为传统平行阵列流道网络的5倍以上，所需的泵送功率约为传统平行阵列流道网络的1/10，并且具有更高的nusselt数和更低的流动压降，从而海水能够通过强制对流换热带走大量固液相变材料所储藏热量，接着汇入所述集水槽，通过所述出水口流入所述海水回收管道，进而达到迅速冷却的效果。

有益效果：

本发明涉及的一种利用闭合回路脉动热管和固液相变材料相结合实现热扩散、利用流动海水通过蜂窝式分形流道网络冷却的偏流板。闭合回路脉动热管以模块的形式配置在所述热扩散模块上，在燃气冲击偏流板表面中心时，利用闭合回路脉动热管在任意部位加热是传热特性几乎不变、热响应快、传热能力突出的特性，以及热扩散模块上非闭合回路脉动热管空间填充的固液相变材料通过相变形式吸收储存大量融化热，使得热扩散模块上热量迅速扩散，实现很好的均热性。配置在热扩散模块下侧的以胞元为夹芯的点阵夹层结构，在承受热流带来的冲量时出现很小塑性弯曲和拉伸，有效保护了配置在结构层下侧的冷却模块，同时胞元的相对密度仅有8％左右，有卓越的轻量化性能。配置在最下层的冷却模块中海水在水输送泵的作用下，在蜂窝式分形流道网络内与固液相变材料强制对流换热，由于蜂窝式分形流道网络相比于传统平行阵列流道有这大得多的传热面积，所以在相同传热条件下所能带走的热量大致为传统平行阵列流道网络的5倍以上，并且具有更高的nusselt数和更低的流动压降，所以蜂窝式分形流道网络能够迅速带走固液相变材料储存的热量，使固液相变材料由液相相变为固相，冷却到相对飞机轮胎所能承受的安全温度，实现偏流板的间歇性工作。

附图说明

图1闭合回路脉动热管示意图

图2偏流板示意图。

图3热扩散模块平面图。

图4胞元立体图。

图5未填充固液相变材料的结构层模块立体示意图。

图6冷却模块立体图。

图中1.气塞；2.液塞；3.冷凝段；4.绝热段；5.加热段；6.高温高速燃气；7.甲板；8.固液相变材料；9.闭合回路脉动热管；10.上面板；11.下面板；12.海水收回管道；13.出水口；14.蜂窝式分形流道网络；15.进水口；16.海水输送泵；17.海水；18.海水输送管道；19.胞元；20.斜圆柱体杆件；21.集水槽；22.分水槽；23.蜂窝式分形流道；24.六角岛；25.含缺口的上面板。

具体实施方式

下面结合附图进行具体实施方案的说明：

图1给出了偏流板上一个闭合回路脉动热管9的工作原理，当高温高速燃气6冲击闭合回路脉动热管9下半段，在下半段就形成加热段5。工质在一个蛇形密闭的真空空间里，以低于常压蒸发温度受热蒸发产生气泡，气泡迅速膨胀和升压，形成蒸发端，推动工质流向低温冷凝段3，气泡在冷凝段3冷凝收缩并破裂，压力下降，工质回流。另外受热产生的蒸气和冷凝产生的液体在毛细管力和弯曲力的作用下，管内最后将形成气塞1和液塞2间隔随机分布的振荡状态。正是这样，由于冷热两端间存在压差以及相邻管间存在压力不平衡，使得工质在加热段5和冷凝段3之间振荡流动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我振荡。

图2给出了本发明利用闭合回路脉动热管9和固液相变材料8相结合实现热扩散、利用流动海水通过蜂窝式分形流道23网络14冷却的偏流板的示意图，主要有三部分组成：热扩散层、结构层和冷却层。当偏流板不需要工作时，直接嵌在甲板7上，可以节约空间。热扩散层包括闭合回路脉动热管9、固液相变材料8，闭合回路脉动热管9以模块的形式配置在热扩散模块上，热扩散层上非闭合回路脉动热管9空间填充固液相变材料8。结构层配置在热扩散模块的下面，冷却模块的上面。结构层模块采用点阵夹层结构，包括上面板10、下面板11和胞元19。胞元19以阵列的形式分布在上面板10、下面板11所夹的空间内。冷却模块包括海水冷却板和海水输送泵16，海水冷却板包括进水口15，出水口13，分水槽22，集水槽21，蜂窝式分形流道23网络14和海水回收管道12，海水输送泵16通过海水输送管道18和海水冷却板相连接。

图3给出了热扩散层的平面图。闭合回路脉动热管9以模块的形式配置在热扩散模块上，热扩散模块上非闭合回路脉动热管9空间填充固液相变材料8。

图4给出了e胞元19立体图。胞元19包括3根完全相同斜圆柱杆件。斜圆柱体杆件20的直径为d，斜圆柱体杆件20与上面板10、下面板11的夹角均为ω，40°＜ω＜60°，上面板10、下面板11之间最短直线距离为h。胞元19的相对密度ρ为8％左右，轻量化性能优越。

图5给出了未填充固液相变材料的结构层立体示意图。胞元19以阵列的形式排列在上面板10、下面板11所包围的空间内，胞元19的个数为4n，n≥1，且n为整数。高温高速燃气6冲击偏流板时，冲量作用在上面板10上，胞元19受到压缩，在胞元19与上面板10、下面板11连接处出现应力集中，由于胞元19具有较高的比强度和比刚度，所以引起的结构层的塑性弯曲和拉伸很微小，在上面板10、下面板11与斜圆柱体杆件20连接处的塑性应变不会超过1％，有效的保护了配置在结构层下侧的冷却模块。

图6给出海水冷却板立体图。海水17在海水输送泵16的作用下，通过海水输送管道18至进水口15，经过分水槽22，流入在六角岛24周围的蜂窝式分形流道23，由于蜂窝式分形流道23网络14相比于传统平行阵列流道有这大得多的传热面积，所以在相同传热条件下所能带走的热量大致为传统平行阵列流道网络的5倍以上，所需的泵送功率约为传统平行阵列流道网络的1/10，并且具有更高的nusselt数和更低的流动压降，从而海水17能够通过强制对流换热带走大量固液相变材料8所储藏热量，接着汇入所述集水槽21，通过所述出水口13流入海水回收管道12，进而达到迅速冷却的效果。