一种热质交换强化结构及其设计方法与流程

本发明属于能源动力、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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。本发明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，本发明采用如下技术方案：

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D_f满足D/D_f＝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。

本发明与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

1、本发明中，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、本发明中，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、本发明中，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、本发明中，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、本发明中，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、本发明中，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、本发明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发明作进一步描述。

请参阅图1至图5所示，本发明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；使用本发明所提的结构时，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轴方向)保持一致，或者与主流方向成一定夹角α，0＜α≤42.5°；自射流通道2可以是一条通道居中布设，或者是多条通道相对于流向中线对称布设；自射流通道2宽度D相对于流动控制结构母体1对主流的迎风面宽度D_f可以根据主流流态、工质、应用环境而做调整，具体范围为D/D_f＝0.03-0.38。

本发明一种热质交换强化结构的设计方法，包括以下步骤：

首先，根据实际需求，参考现有技术及文献，选择凸起型流动控制结构母体，对于以提升换热系数为主要目标的实际应用中，侧重于选择柱肋、圆柱形凸槽和方形凸槽等型式的母体结构，而对于以综合节能效果为主要目标的实际应用中，则侧重于选择球凸、泪滴状凸起和针肋等型式的母体结构；

然后，基于计算流体动力学模拟，结合实验测量，在与实际应用条件相比拟的边界条件下，分析布置凸起型流动控制结构母体的常规情况下流场的流动结构及其随边界条件的变化规律，重点是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，同时也得到表面传热传质系数分布图；

接下来，关键的步骤便是设计布置于凸起型流动控制结构母体上的自射流通道，根据上一步获得的流动分离位置，和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；

进一步地，由于主流核心区、尾迹核心区以及分离涡或者角涡核心区在物理尺度上往往是一个范围，因此，需要继续借助参数优化设计方法，以保证传热传质效率为前提，以降低系统流动阻力和提升综合热性能为优化目标，获得上述自射流通道的最优进出口位置，并优化选择通道型式、布置和宽度等参数；将主流引射到尾迹或分离涡或角涡中，降低系统的压差阻力，并保留传热传质系数高的位置，或者借助于自射流通道的引入，扩大该位置面积，提升系统传热传质性能。

如图1所示：该例中，凸起型流动控制结构母体1是球凸，布置在流通通道3内侧，自射流通道2为两条，相对于通道流向中线对称布置。

将图1结构应用在微通道中，微通道进口截面尺寸为200μm×50μm，以流向150μm为周期性单元进行三维数值模拟计算，其中球凸流动控制结构母体相对高度为0.2，自射流通道宽度均为6μm，其中心处距离微通道流向中线距离为25μm，对称布置于母体球凸上，以500ppm的CMC溶液为例，在进口流速为6.21m/s工况下，使用带自射流通道的流动控制结构，对比于使用球凸结构，系统阻力系数降低了32.18％，综合热性能提升了18.56％，验证了本发明的可行性。

如图2所示：该例中，凸起型流动控制结构母体1是扰流圆柱，布置在通道内侧，自射流通道2为两条，相对于通道流向中线对称布置。

如图3所示：该例中，凸起型流动控制结构母体1是柱肋，布置在通道内侧，自射流通道2为两条，相对于通道流向中线对称布置。

如图4所示：该例适用于高雷诺数工况，其中，凸起型流动控制结构母体1是方形扰流块，布置在通道内侧，贯穿通道展向方向，自射流通道2为三条，相对于通道流向中线对称布置，其中有两条自射流通道为斜通道。

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为例说明本发明的结构。该例适用于高雷诺数工况，其中，凸起型流动控制结构母体1是半圆柱凸槽，布置在通道内侧，贯穿通道流动法向方向，自射流通道2为四条，均为斜通道，相对于通道流向中线对称布置，并且随着距离中心处距离的增加，自射流通道2与通道流向中心线夹角逐渐增加，有利于更加高效地将主流核心的流体引射到尾迹或分离涡或角涡核心区。