一种仿生分形结构的轻质高效预冷器的制作方法

1.本发明属于轻质高效预冷器设计技术领域，具体涉及一种仿生分形结构的轻质高效预冷器。


背景技术：

2.在高超声速吸气式组合发动机领域，使用空气预冷器将高温来流冷却以扩宽涡轮发动机工作包线是目前组合发动机领域采用的最为有效的手段。吸气式组合发动机对空气预冷器提出了较高的要求：要求在瞬间内完成大温差大功率降温且流阻较低。传统的换热器换热系数较低、流阻较大且换热响应慢很难满足发动机的需求。因此需要研发一种全新的具备超强换热功能的超级换热器。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.本发明要解决的技术问题是：如何设计一种轻质高效预冷器，以满足大功率换热、低流阻的需求。
5.(二)技术方案
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种仿生分形结构的轻质高效预冷器的设计方法，该方法中，将预冷器设计为包括冷却介质入抱环管路6、冷却介质进气抱环7、冷却介质进气集气管8、螺旋微细管束9、冷却介质出气集气管路10、冷却介质出气抱环11、冷却介质出气抱环管路12；
7.所述冷却介质入抱环管路6位于预冷器内侧，是冷却介质进入预冷器的总管路；冷却介质进气抱环7位于预冷器内侧，是冷却介质进入预冷器的二级管路，用于进行冷却介质的分配；冷却介质进气集气管8由冷却介质进气抱环7分流出，位于预冷器内侧，是冷却介质进入预冷器的三级管路；螺旋微细管束9由冷却介质进气集气管8分流出，换热完成后，汇入冷却介质出气集气管路10；冷却介质出气集气管路10位于预冷器的外侧，是冷却介质出气的三级管路；冷却介质出气抱环11用于将冷却介质出气集气管路10汇集后从冷却介质出气抱环管路12送出，是冷却介质出气的二级管路；冷却介质出气抱环管路12是冷却介质流出预冷器的总管路。
8.优选地，所述冷却介质入抱环管路6、冷却介质进气集气管8、冷却介质出气集气管路10、冷却介质出气抱环管路12均为轴向布置。
9.本发明还提供了一种利用所述方法设计得到的预冷器。
10.本发明还提供了一种所述预冷器的工作方法。
11.优选地，包括以下步骤：冷却介质通过冷却介质入抱环管路6进入冷却介质进气抱环7，通过冷却介质进气抱环7将冷却介质分流至各个螺旋换热单元的冷却介质进气集气管8，冷却介质进气集气管8将冷却介质分流至大量的螺旋微细管束9，冷却介质从内向外沿螺旋微细管束9完成与高温空气的逆流换热，之后依次从冷却介质出气集气管路10、冷却介质
出气抱环11、冷却介质出气抱环管路12将冷却介质送出。
12.本发明还提供了一种使用所述预冷器的组合发动机。
13.优选地，所述组合发动机为高超声速吸气式组合发动机。
14.本发明还提供了一种使用所述组合发动机的飞行器。
15.本发明还提供了一种所述组合发动机的工作方法。
16.本发明还提供了一种所述的飞行器的工作方法。
17.(三)有益效果
18.本发明基于生物的分形特征设计得到一种轻质高效预冷器，其有益效果主要有：
19.1)通过本发明，可以在有限的空间内实现较大的换热面积，以满足大功率换热的需求；
20.2)通过本发明，可以通过广泛分流调控实现流阻的控制，以满足低流阻的需求。
附图说明
21.图1为鱼鳃血液循环示意图；
22.图2为本发明设计的一种仿生分形结构的轻质高效预冷器示意图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
24.本发明在了解和研究生物特殊结构的基础上，提出了一种仿生分形结构的轻质高效预冷器。
25.研究发现，生物的循环系统和呼吸系统大都具有广泛的分形的特征，该特征具有较大的比表面积以及低流阻性。以鱼类的呼吸器官——鱼鳃为例，鱼鳃由多个鳃片组成，每个鳃片由许多梳齿状鳃丝组成，每根鳃丝两侧又生出大量的鳃小片，鳃小片是气体交换的地方，由大量的毛细血管组成。血液的循环途径是：腹大动脉
→
入鳃动脉
→
入鳃丝动脉
→
入鳃小片动脉
→
毛细血管
→
出鳃小片动脉
→
出鳃丝动脉
→
出鳃动脉
→
背大动脉。通过该途径的血液流量最大，而流阻仅仅为总流阻的20％～40％。鱼鳃通过多级广泛分流使得该循环途径具有高流通能力与高比表面积，从而实现低流阻高效气体交换。以10cm长的鲫鱼为例，鱼鳃的表面积高达17cm2，比表面积高于传统换热器的多个数量级。
26.图1所示为鱼鳃血液循环示意图，其中1为入鳃丝动脉、2为入鳃小片动脉、3为毛细血管、4为出鳃小片动脉、5为出鳃丝动脉；血液从入鳃丝动脉1分流至多个入鳃小片动脉2，每个入鳃小片动脉2分流出大量的毛细血管3，血液在毛细血管3内与水流呈逆向流动，呼入氧气排出二氧化碳，完成气体交换的血液再依次从出鳃小片动脉4、出鳃丝动脉5进入出鳃动脉。鱼鳃通过血液的广泛分流，达到了流通量大、流阻小、气体交换效率高的特点。
27.上述生物分形特征应用于预冷器可以实现高的热通量及低流阻，是轻质高效预冷器追求的理想目标。
28.基于此，本发明提供了一种仿生分形结构的轻质高效预冷器，如图2所示，包括冷却介质入抱环管路6、冷却介质进气抱环7、冷却介质进气集气管8、螺旋微细管束9、冷却介质出气集气管路10、冷却介质出气抱环11、冷却介质出气抱环管路12。
29.冷却介质入抱环管路6位于预冷器内侧，是冷却介质进入预冷器的总管路；冷却介质进气抱环7位于预冷器内侧，是冷却介质进入预冷器的二级管路，用于进行冷却介质的分配；冷却介质进气集气管8由冷却介质进气抱环7分流出，位于预冷器内侧，是冷却介质进入预冷器的三级管路；螺旋微细管束9是预冷器换热的核心部件，由冷却介质进气集气管8分流出，换热完成后，汇入冷却介质出气集气管路10；冷却介质出气集气管路10位于预冷器的外侧，是冷却介质出气的三级管路；冷却介质出气抱环11用于将冷却介质出气集气管路10汇集后从冷却介质出气抱环管路12送出，是冷却介质出气的二级管路；冷却介质出气抱环管路12是冷却介质流出预冷器的总管路。冷却介质入抱环管路6、冷却介质进气集气管8、冷却介质出气集气管路10、冷却介质出气抱环管路12均为轴向布置。
30.该预冷器的换热原理如下：冷却介质通过冷却介质入抱环管路6进入冷却介质进气抱环7，通过冷却介质进气抱环7将冷却介质分流至各个螺旋换热单元的冷却介质进气集气管8，冷却介质进气集气管8将冷却介质分流至大量的螺旋微细管束9，冷却介质从内向外沿螺旋微细管束9完成与高温空气的逆流换热，之后依次从冷却介质出气集气管路10、冷却介质出气抱环11、冷却介质出气抱环管路12将冷却介质送出，进入下一个部件。
31.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。