一种基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法与流程

本发明涉及流体力学，具体涉及一种基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法。

背景技术：

1、机械系统中，动力元件和传动元件发生能量转化和传递过程，会产生大量的热。热量累积在传动链中，导致诸如润滑失效、物性变化、器件融蚀等问题，导致部件寿命缩短和系统损坏。常见地，在发热器件周围布置管道，并且在管道与发热件间填充传热介质。当对管道内通入流体后，便形成一条由发热部位到流体的热传导通路，它能够不断将热量从热源处带走。这是因为流动的液体经过热源发生充分的热交换，温度升高，从而带走热源的热量，实现热源降温的目的。可以看出，管道中液体的流动与散热存在密切关系。从热力学理论出发，可以看出，假设管壁热传导充分，管道中流体的带走热量的能力与流速、比热容、流量、流态、温度差等因素有关，因此，通过选择合适的流体并调控流体的流动参数对提高散热效率具有重要意义。

2、流动过程需要泵提供动力，入口与出口压差越大，流速越高，但需要的驱动能量也越大，因此，散热问题与能源问题在这里是矛盾的。管道散热设计应该基于采用较少的能量驱动系统，并满足散热的需求。当前研究表明，相比粘性流体，粘弹性流体在高速流动过程的阻力更小。从制备工艺上说，通过在粘性流体中加入微量的高分子添加剂，粘度等大多数性质仅发生了微量的改变，但流体具备了粘弹性特征，因此，流体粘弹性改性具有工业应用的意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，散热效果好。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

4、步骤一，建立管道几何模型，管道的几何参数至少包括管道各处位置的形状尺寸、长度尺寸、管道材料参数、出口和入口的位置以及数量，并确定管道散热的评价指标；

5、步骤二，建立粘弹性流体力学模型、粘性流体力学模型及热力学模型，粘弹性流体力学模型和粘性流体力学模型分别与热力学模耦合求解压力，以粘性流体力学模型作为参照，以粘弹性流体与粘性流体的出入口压力之差定义减阻率；

6、步骤三，通过调整粘弹性流体的特征参数，得到满足目标减阻率的高分子成分的添加量，并配置粘弹性流体。

7、进一步地，所述评价指标为：以相对于粘性流体的相同流量的压力变化或相同出入口压力差的流量变化来评估，和/或以相对于粘性流体的通过相同流量的流体的温度变化来评估。

8、进一步地，在相同流量条件下，如果出入口压力差越小，流体通过通道的阻力越小；当雷诺数小于100，散热与流速相关。

9、进一步地，建立管道几何模型时，根据管道的几何参数和流场范围，在三维计算机辅助设计软件中建立几何模型，然后导入cfd软件中，成为cfd软件中的几何模型。

10、进一步地，所述步骤二中，设置管道流场的初始条件包括待检测管道的入口流量、入口压力及出口压力中至少两个参数；设置粘弹性流体和粘性流体的流体特性参数；设置管道流场的边界条件至少包括壁面的边界条件。

11、进一步地，所述减阻率为：

12、

13、dtdr为湍流减阻系数即减阻率，出口压力为0，pinviscous为粘性流体的入口压力，pinviscoelastic为粘弹性流体的入口压力。

14、进一步地，所述粘弹性流体的特征参数包括溶剂贡献粘度、溶质贡献粘度、弛豫时间和溶液密度。

15、进一步地，通过振荡混合的方式配置粘弹性流体，采用水平摇床振荡器作为将高分子溶液混合均匀的实验仪器。

16、有益效果：

17、1、本发明通过设计在冷却液中添加少量的添加剂改变流体性质的方法，使得具有粘弹性特征的流体流经管道时具有较小的阻力，因此，如果泵的功率一定，那么粘弹性流体能够以更大的速度在通道内流动，从而带走更多的热，散热效果好。

18、2、减阻和散热的效果与流体的粘弹性相关，因此，本发明采用计算流体力学方法设计粘弹性成分的添加量来实现散热和减阻的目标。

19、3、从相同流量的角度来看，粘弹性流体对散热效果的提升并不明显。但是，本发明综合考虑了管道内的流动阻力和散热，利用粘弹性流体减阻的特性，在相同能源消耗的前提下提高了管道内流速，从而改善散热，这是从另一个角度实现改进的发明方法，具有新颖性。

20、4、本发明提出在粘性流体中添加粘弹性物质，从而获得粘弹性流体，最终实现提升散热效果的目的。本发明没有增加复杂的装置，溶液配置过程简单、方法多样，具有便宜、易推广等优点。

技术特征：

1.一种基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，所述评价指标为：以相对于粘性流体的相同流量的压力变化或相同出入口压力差的流量变化来评估，和/或以相对于粘性流体的通过相同流量的流体的温度变化来评估。

3.如权利要求2所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，在相同流量条件下，如果出入口压力差越小，流体通过通道的阻力越小；当雷诺数小于100，散热与流速相关。

4.如权利要求1所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，建立管道几何模型时，根据管道的几何参数和流场范围，在三维计算机辅助设计软件中建立几何模型，然后导入cfd软件中，成为cfd软件中的几何模型。

5.如权利要求1所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，设置管道流场的初始条件包括待检测管道的入口流量、入口压力及出口压力中至少两个参数；设置粘弹性流体和粘性流体的流体特性参数；设置管道流场的边界条件至少包括壁面的边界条件。

6.如权利要求1所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，所述减阻率为：

7.如权利要求1所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，所述粘弹性流体的特征参数包括溶剂贡献粘度、溶质贡献粘度、弛豫时间和溶液密度。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，其特征在于，通过振荡混合的方式配置粘弹性流体，采用水平摇床振荡器作为将高分子溶液混合均匀的实验仪器。

技术总结
本发明公开了一种基于流体改性的提升液冷通道散热效率的设计方法，包括以下步骤：首先建立管道几何模型，管道的几何参数至少包括管道各处位置的形状尺寸、长度尺寸、管道材料参数、出口和入口的位置以及数量，并确定管道散热的评价指标；然后建立粘弹性流体力学模型、粘性流体力学模型及热力学模型，粘弹性流体力学模型和粘性流体力学模型分别与热力学模耦合求解压力，以粘性流体力学模型作为参照，以粘弹性流体与粘性流体的出入口压力之差定义减阻率；再通过调整粘弹性流体的特征参数，得到满足目标减阻率的高分子成分的添加量，并配置粘弹性流体。本发明散热效果好。

技术研发人员：赵欣,刘海涛,李彪,冯宇,王美靖,林如宁,詹瞻宇
受保护的技术使用者：中国北方车辆研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15