一种基于GD型杂化极小曲面扰动结构的换热器

一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器
技术领域
1.本发明属于换热器技术领域，涉及一种以优化仿生极小曲面为基础的扰动结构换热器。


背景技术：

2.换热器作为热交换的重要场所，广泛应用于化工、航空、食品等领域。其中，换热器近年来在航空领域的应用成为研究热点。航空飞机向着高马赫数方向发展，逐渐提高的飞行速度带来的热管理问题也日趋严峻，大量的余热需要被排出或回收利用，目前航空领域换热器多是把燃油作为热沉，对热端工质进行冷却，同时可以将燃油温度提升，进而提高燃烧效率。航空领域所要求换热器需满足轻质、高效、安全等要求。因此，设计出适用于航空飞机的紧凑式换热器对于进一步提高航空飞机性能具有重要意义。目前航空飞机使用的换热器扰流结构多为矩形翅片、锯齿形翅片、人字波等。这些结构的优势在于生产制造较为简单，与传统换热器匹配程度较高。但是其缺点较为明显，即扰动程度不足导致的换热量较低，为解决这一问题，设计更为复杂的结构以增加换热量是非常有必要的。
3.板翅式换热器是将冷热流体用隔板隔开，冷热流体间隔布置，在每个流道中，都插入翅片来增加扰动效果和加强力学强度。板翅式换热器具有结构紧凑、体积小、耗材少、传热系数高、适应性大等优点，可以在多方面满足航空飞机换热的需求。极小曲面是一种仿生结构，在许多生物结构如：骨骼、海胆骨架、蝴蝶翅膀等结构中发现了极小曲面的存在，研究发现这种结构具有良好的力学性能与热工性能，g型极小曲面的热工性能较为优越。在g型极小曲面的基础上，设计出gd型杂化极小曲面，将gd型杂化极小曲面作为扰动结构布置在流道内。流体流经扰动结构，会增大扰动，加大换热面积，产生更多的涡流，强化对流换热效果。但现有的gd型杂化极小曲面多用于结构强度优化领域，并没有适用于强化换热效果的gd型杂化极小曲面的具体设计启示。


技术实现要素：

4.本发明为解决航空飞机中燃油进口温度低以及余热回收利用问题。使用换热器将余热工质与燃油进行热交换，提供一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器。本发明为解决此问题所采用的技术方案如下：
5.一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器，包括芯体、封头、法兰；所述芯体包括冷流体通道和热流体通道，热流体通道内填充gd型杂化极小曲面扰动结构，gd型杂化极小曲面的基本控制方程为：0.5*(sin(x)*cos(y)+sin(y)*cos(z)+sin(z)*cos(x)+sin(x)*sin(y)*sin(z)+sin(x)*cos(y)*cos(z)+cos(x)*sin(y)*cos(z)+cos(x)*cos(y)*sin(z))与传统的g型极小曲面差别在于添加了d型极小曲面的特征元素。
6.进一步地，换热器材质均为铝合金，其中gd型杂化极小曲面扰动结构采用3d打印方式制造，各部件间连接方式为焊接。
7.进一步地，热流体通道中gd型杂化极小曲面扰动结构长度与宽度相等。
8.进一步地，所述冷流体通道和热流体通道间用隔板隔开，不同通道进出口用封条隔开，冷流体通道内插入针肋扰动结构；所述封头包括热流体封头和冷流体封头；法兰包括热流体通道进出口法兰和冷流体通道进出口法兰共四个，无封头与法兰的侧面用挡板封装；冷热流体采用叉流布置。
9.进一步地，gd型杂化极小曲面扰动结构与隔板紧密贴合。
10.本发明的有益效果，采用本发明的gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器，具有结构紧凑、轻质化、换热面积大、换热效率高等优点，尤其是自主设计gd型杂化极小曲面扰动结构的应用，较之于传统g型极小曲面，极大的提高了换热面积，增加了涡流的数量，合理分配了孔隙率布置，对换热效率的提高有极大积极作用。上述换热器紧凑、轻质、高效，为解决航空飞机换热问题提供了新的思路。
附图说明
11.图1是本发明一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器的正视图(剖面结构图)；
12.图2是本发明一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器的左视图(剖面结构图)；
13.图3是本发明一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器的俯视图；
14.图4是本发明gd型杂化极小曲面扰动结构的三维结构图。
15.图中：1法兰；2冷流体封头；3冷流体通道；4热流体通道；5隔板；6封条；7挡板；8热流体封头。
具体实施方式
16.下面根据本发明的结构图进行更细致的阐述。
17.实施例1
18.如图1和图2所示，本发明中，一种基于gd型杂化极小曲面扰动结构的换热器，由芯体、封头、法兰1组成。芯体包括冷流体通道3、热流体通道4、隔板5、封条6、挡板7；封头包括冷流体封头2两个和热流体封头8两个；法兰1有四个。冷流体通道3中使用针肋结构作为扰动与支撑结构；热流体通道8中使用gd型杂化极小曲面扰动结构作为扰动与支撑结构。法兰1与冷流体封头2、热流体封头8通过焊接方式连接；冷流体封头2与芯体通过焊接方式连接；热流体封头8与芯体通过焊接方式连接；冷流体通道3中的针肋结构与隔板5以及挡板7之间的连接方式为焊接；热流体通道4中的gd型杂化极小曲面扰动结构与隔板5以及挡板7之间的连接方式为焊接；隔板5与封条6之间的连接方式为焊接。
19.所述冷流体为航空燃油，所述热流体为高温空气，两种流体流动方向垂直。所述换热器整体材料选用铝合金，gd型杂化极小曲面扰动结构采用3d打印技术制造(选择性激光融化)，材料为铝合金(alsi10mg)。
20.gd型杂化极小曲面扰动结构高度为10mm，长度和宽度均为50mm。
21.所述冷流体通道3中针肋扰动结构尺寸为直径1mm、高度10mm，排列方式为每行个数与每列个数相等的矩形排列，个数为16个。
22.所述冷流通道与热流体通道的个数相同，且个数均为5个，呈间隔排列，流动方式
为叉流。
23.换热过程中，冷流体工质管道通过第一法兰与冷流体封头2相连，冷流体经过冷流体封头2内部空间进入芯体中的冷流体通道3，由于热流体通道4在冷流体入口处装有封条6，所以冷流体工质不会进入热流体通道；热流体工质管道通过第二法兰与热流体封头8相连，热流体经过热流体封头8内部空间进入芯体中的热流体通道4，由于冷流体通道3在热流体入口处装有封条6，所以热流体工质不会进入冷流体通道；冷热流体进入各自通道后，冷流体通道3中冷流体在针肋结构的作用下产生更多的涡流，通过隔板5与热流体发生换热；热流体通道4中的热流体在gd型杂化极小曲面扰动结构作用下增加换热面积，增加流体扰动，湍流程度加大，通过隔板5与冷流体发生换热；如图3所示冷流体与热流体呈现垂直方向流动，可以有效提高换热效率。热交换完成后，冷流体通过冷流体封头2内部空间流出换热器；热流体通过热流体封头8内部空间流出换热器。
24.对比例1
25.在实施例1的基础上，将上述实施例1中的gd型杂化极小曲面扰动结构全部替换成传统g型极小曲面扰动结构，保证两种结构的孔隙率都为80％。对单层扰动结构在流动换热试验台中进行试验，对比分析两种结构的换热情况。
26.对比结果发现，选择单层结构在流道内进行试验验证。实验结果表明：在100w的底面加热功率下，来流速度分别为4m/s，6m/s，8m/s，gd型杂化极小曲面比传统g型极小曲面的努塞尔数(nu)分别高出35.13％，43.24％，45.58％；在50w的底面加热功率下，来流速度分别为4m/s，6m/s，8m/s，gd型杂化极小曲面比传统g型极小曲面的努塞尔数(nu)分别高出36.6％，45.71％，46.71％。
27.航空飞机应用背景下，所述冷流体一般为航空燃油，所述热流体一般为航空飞机飞行过程中带有余热的工质。gd型杂化极小曲面扰动结构的引入较大地增加了换热面积，提高换热效率，为解决航空飞机余热回收与燃油预热提供了新的思路。