一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法及换热流道专利检索-通用热交换或传热设备的零部件专利检索查询-专利查询网

一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法及换热流道
申请号	CN202410148212.8	申请日	2024-02-02	公开(公告)号	CN117669277B	公开(公告)日	2024-04-26
申请人	中国科学院大学; 西安交通大学;			发明人	张年梅; 王泽栋; 阳倦成; 吕泽; 倪明玖;
摘要	本发明涉及增强换热技术领域，具体涉及一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法及换热流道。其中，本发明所提供的换热流道优化方法，包括如下步骤：以换热流道的换热壁面为基准面，构建流道优化坐标系；基于流道优化坐标系，确定第一构件的布设位置，第一构件为柱形固体；根据换热壁面的热边界厚度，匹配第一构件的第二构件，第二构件为柔性体；基于流道优化坐标系，在布设位置处布设对应的第一构件和第二构件。本发明通过在换热流道内部布设第一构件和第二构件，使得换热流道中流体通过第一构件和第二构件产生的间隙射流和涡街以携带近壁面的热量，进而增强换热壁面的换热效果。
权利要求	1.一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法，其特征在于，包括如下步骤：以换热流道的换热壁面为基准面，构建流道优化坐标系，所述换热流道内通入低温流体；根据所述换热壁面在X轴方向的长度，设定第一构件布设位置的横向坐标，所述第一构件为圆柱形固体，所述第一构件的横向坐标满足如下设置模型：，其中，，，表示第i个第一构件布设位置的横向坐标，表示第i‑1个第一构件布设位置的横向坐标，表示与第i‑1个第一构件匹配的第二构件的长度，表示第i个第一构件的横截面最长直径；根据所述第一构件的直径，设定所述第一构件布设位置的纵向坐标，所述第一构件的纵向坐标满足如下设置模型：，其中，表示第i个第一构件布设位置的纵向坐标；获取所述换热壁面的热边界厚度，并基于所述热边界厚度确定与第一构件匹配的第二构件的长度范围，所述第二构件的长度范围为：，其中，表示与第i个第一构件匹配的第二构件的长度，表示第一构件表面与换热壁面之间的最短距离，表示换热壁面的热边界厚度；获取长度满足所述长度范围的第二构件，并将所述第二构件与所述第一构件固定连接，所述第二构件为长条形柔性体；基于所述流道优化坐标系，在所述布设位置处布设对应的第一构件和第二构件；当所述换热流道内流体的流动状态为层流状态时，换热壁面的热边界厚度为，，其中，表示在换热流道内，距离换热流道的入口为的位置处换热壁面的热边界厚度，表示换热流道内一处位置与换热流道入口之间的距离，表示流体的雷诺数，表示流体的普朗特数；当所述换热流道内流体的流动状态为湍流状态时，换热壁面的热边界厚度为：，其中，表示在换热流道内，距离换热流道的入口为的位置处换热壁面的热边界厚度，表示换热流道内一处位置与换热流道入口之间的距离，表示流体的雷诺数。 2.一种换热流道，其特征在于，所述换热流道通过权利要求1所述的基于流固耦合作用的换热流道优化方法优化，优化后的换热流道中布设有一组或者多组所述第一构件和所述第二构件。
说明书全文	一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法及换热流道技术领域 [0001] 本发明涉及增强换热技术领域，具体涉及一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法及换热流道。背景技术 [0002] 在工业和科技领域，增强换热技术是许多系统中至关重要的一部分，例如石油化工、能源生产、空调系统、汽车发动机等。传统的壁面增强换热方法虽然在一定程度上提高了传热效率，但仍然存在一些技术缺陷，如近壁涡发生器，包括圆柱、肋片或翅片等，往往会在下游形成流动滞止区或壁面分离泡。这种流动滞止区或壁面分离泡的生成会导致局部换热效率下降，甚至可能出现热量集中的情况，显著影响整体的换热效率。发明内容 [0003] 针对实际应用的需求，本发明提供了一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法，旨在改善换热流场结构，可变形柔性体与换热壁面间会产生间隙射流，会打破分离泡的生成；同时利用圆柱与柔性体尾部产生的涡街携带近壁面的热量，与流道中的低温流体实现对流换热，从而显著提高整体的换热效率。 [0004] 针对现有技术的不足和实际应用的需求，本发明提供了一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法及换热流道，旨在改善换热流场结构以显著提升换热流道的换热效率。 [0005] 第一方面，本发明提供了一种基于流固耦合作用的换热流道优化方法，包括如下步骤：以换热流道的换热壁面为基准面，构建流道优化坐标系；基于所述流道优化坐标系，确定第一构件的布设位置，所述第一构件为柱形固体；根据所述换热壁面的热边界厚度，匹配所述第一构件的第二构件，所述第二构件为柔性体；基于所述流道优化坐标系，在所述布设位置处布设对应的第一构件和第二构件。 [0006] 本发明所提供的基于流固耦合作用的换热流道优化方法，包括如下增益：本发明通过在换热流道内部布设第一构件和第二构件，使得换热流道中流体通过第一构件和第二构件产生的间隙射流和涡街以携带近壁面的热量，进而增强换热壁面的换热效果。本发明所提供的这种方法适用性广，可广泛应用于各种需要增强换热效果以及需要增强对流传质的流道系统和流道设备中。 [0007] 可选地，所述流道优化坐标系以换热流道的入口底部中心位置为原点，轴与所述换热壁面平行，轴与所述换热壁面垂直。本可选项为优化布设提供了明确基准，有助于提高整体换热效果。 [0008] 可选地，所述基于所述流道优化坐标系，确定第一构件的布设位置，包括如下步骤：根据所述换热壁面在X轴方向的长度，设定第一构件布设位置的横向坐标；根据所述第一构件的直径，设定所述第一构件布设位置的纵向坐标。本可选项通过优化流道内的构件的布设位置，充分利用流固耦合作用避免流动滞止区或壁面分离泡的出现，同时利用流固耦合作用产生的对流效果来实现热壁面与低温流体的充分换热，从而显著提高整体的换热效率。 [0009] 可选地，所述第一构件的布设位置，满足如下设置模型： ,其中，表示第i个第一构件布设位置的横向坐标，表示第i个第一构件布设位置的纵向坐标，，，表示换热流道长度，表示第一构件的数量，表示第i个第一构件的横截面最长直径。本可选项所提供的布设位置设置模型，能够换热流道构件的均匀分布，进而提高整体换热效果。 [0010] 可选地，所述根据所述换热壁面的热边界厚度，匹配所述第一构件的第二构件，包括如下步骤：获取所述换热壁面的热边界厚度，并基于所述热边界厚度确定与第一构件匹配的第二构件的长度范围；获取长度满足所述长度范围的第二构件，并将所述第二构件与所述第一构件固定连接；其中，所述长度取值范围为：，其中，表示与第i个第一构件匹配的第二构件的长度，表示第一构件表面与换热壁面之间的最短距离，表示换热壁面的热边界厚度。本可选项通过优化流道内的构件的布设位置及长度，充分利用流固耦合作用避免流动滞止区或壁面分离泡的出现，同时利用流固耦合作用产生的对流效果来实现热壁面与低温流体的充分换热，从而显著提高整体的换热效率。 [0011] 可选地，所述换热流道内流体的流动状态为层流状态时，换热壁面的热边界厚度满足如下公式：，其中，表示在换热流道内，距离换热流道的入口为的位置处换热壁面的热边界厚度，表示换热流道内一处位置与换热流道入口之间的距离，表示流体的雷诺数，表示流体的普朗特数。 [0012] 可选地，所述换热流道内流体的流动状态为湍流状态时，换热壁面的热边界厚度满足如下公式：，其中，表示在换热流道内，距离换热流道的入口为的位置处换热壁面的热边界厚度，表示换热流道内一处位置与换热流道入口之间的距离，表示流体的雷诺数。 [0013] 可选地，任两个相邻第一构件布设位置的横向坐标，满足如下约束条件：，其中，表示第i个第一构件布设位置的横向坐标，表示第i‑1个第一构件布设位置的横向坐标，表示与第i‑1个第一构件匹配的第二构件的长度，表示第i个第一构件的横截面最长直径。本可选项通过优化流道内的多个构件之间的相对布设位置，以充分利用流固耦合作用避免流动滞止区或壁面分离泡的出现，同时利用流固耦合作用产生的对流效果来实现热壁面与低温流体的充分换热，从而显著提高整体的换热效率。 [0014] 可选地，所述第一构件为圆柱形固体，所述第二构件为长条形柔性体。圆柱形固体的几何形状实现更有效的流体与固体的相互作用，长条形柔性体的尾部能够更好被带动以产生轻微振动，进而脱落在尾部斜上方运动的涡以扰动温度边界层，从而将近壁面的热量带到低温区以实现对流换热。 [0015] 第二方面，本发明还提供了一种换热流道，所述换热流道通过上述基于流固耦合作用的换热流道优化方法优化，优化后的换热流道中布设有一组或者多组所述第一构件和所述第二构件。 [0016] 本发明所提供的换热流道，包括如下增益：本发明所提供的换热流道内，流体通过第一构件和第二构件产生的间隙射流和涡街以携带近壁面的热量，避免了热量集中的情况发生，换热效率高，适用范围广。附图说明 [0017] 图1为基于流固耦合作用的换热流道优化方法流程图； [0018] 图2为本发明实施例所提供的流道优化坐标系第一示意图； [0019] 图3为本发明实施例所提供的流道优化坐标系第二示意图。具体实施方式 [0020] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。 [0021] 在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。 [0022] 在一个实施例中，请参见图1，图1为基于流固耦合作用的换热流道优化方法流程图。如图1所示，所述基于流固耦合作用的换热流道优化方法，包括如下步骤：S01、以换热流道的换热壁面为基准面，构建流道优化坐标系。 [0023] 本实施例中所述的换热壁面为面热源，即换热壁面和热源一体；在其他的一个或者一些实施例中，所述换热壁面为体热源，即由热源引起的高温壁面，如核聚变包层中的指数型衰减的中子热源引起的高温壁面。 [0024] 请参见图2和图3，图2为本发明实施例所提供的流道优化坐标系示意图，图3为本发明实施例所提供的流道优化坐标系第二示意图。在图2和图3中，标号1表示第一构件，标号2表示第二构件，标号3表示换热壁面，在换热壁面3的上侧为换热流道。在本实施例中，所述流道优化坐标系以换热流道的入口底部中心位置为原点O，轴与所述换热壁面3平行，轴与所述换热壁面3垂直，流道优化坐标系平面与换热壁面3垂直。 [0025] 在其他的一个或者多个实施例中，如图1所示，所述基于流固耦合作用的换热流道优化方法，包括如下步骤：S02、基于所述流道优化坐标系，确定第一构件的布设位置，所述第一构件为柱形固体。 [0026] 在这个或者这些实施例中，所述第一构件为圆柱形固体，圆柱形固体的几何形状实现更有效的流体与固体的相互作用；在其他的一个或者一些实施例中，所述第一构件可以为其他规则或者不规则柱形固体，柱形固体外形的具体形状可根据实际需求或者实际情况进行设计或者选取，以更好改善流场结构，进而增强换热效果。 [0027] 进一步地，基于所述流道优化坐标系，在所述换热流道内布设的第一构件的数量可以是一个，也可以是多个。具体地，所述第一构件的数据可以根据换热流道长度或者其他相关因素设定： [0028] 当换热流道较短时，在所述换热流道内布设一组构件（包括第一构件和与第一构件匹配的第二构件），为保证构件能够更好地改变流场结构，该组构件中第一构件布设位置的横坐标在2/L处，其中，L表示换热流道长度；进一步地，再根据所述第一构件的直径设定布设位置的纵向坐标。 [0029] 当换热流道较长时需要在所述换热流道内布设多组构件，进一步地，步骤S02所述的基于所述流道优化坐标系，确定第一构件的布设位置，包括如下步骤：S021、根据所述换热壁面在X轴方向的长度，设定第一构件布设位置的横向坐标。 [0030] 在一个可选的实施例中，多个布设位置的横向坐标满足如下设置模型：，其中，表示第i个第一构件布设位置的横向坐标，表示第i个第一构件布设位置的纵向坐标，，，表示换热流道长度，表示第一构件的数量。本实施例所提出的布设位置设置模型，采用均匀分布的方式将换热流道等分为多个流固耦合区域，每个区域对应设置构件以改善流场结构，进而增强换热效果。 [0031] 在又一个可选的实施例中，基于上述实施例所提出的布设位置的设置模型，为进一步提升增强换热效果，任两个相邻布设位置的横向坐标，还满足如下约束条件：，其中，表示第i个第一构件布设位置的横向坐标，表示第i‑1个第一构件布设位置的横向坐标，表示与第i‑1个第一构件匹配的第二构件的长度，表示第i个第一构件的横截面最长直径。 [0032] 本实施通过进一步优化流道内的多个构件之间的相对布设位置，以充分利用流固耦合作用避免流动滞止区或壁面分离泡的出现，同时利用流固耦合作用产生的对流效果来实现热壁面与低温流体的充分换热，从而显著提高整体的换热效率。 [0033] 当换热流道较长时需要在所述换热流道内布设多组构件，进一步地，步骤S02所述的步骤S02所述的基于所述流道优化坐标系，确定第一构件的布设位置，还包括如下步骤：S022、根据所述第一构件的直径，设定所述第一构件布设位置的纵向坐标。 [0034] 进一步地，多个布设位置的纵向坐标满足如下设置模型： ,其中，表示第i个第一构件布设位置的纵向坐标，，，表示第i个第一构件的横截面最长直径。 [0035] 在一个具体的实施例中，结合上述多个布设位置的横/纵向坐标的设置模型，可对应在换热流道内确定多组构件的布设位置。如图2中、、、等多个坐标所示，任一个坐标即为对应构件的布设位置。 [0036] 在其他的一个或者多个实施例中，如图1所示，所述基于流固耦合作用的换热流道优化方法，包括如下步骤：S03、根据所述换热壁面的热边界厚度，匹配所述第一构件的第二构件，所述第二构件为柔性体。 [0037] 本发明所述的热边界厚度是指在换热壁面上流体与换热壁面之间的温度逐渐变化区域的厚度。所述第二构件为具有可调节形状、柔软性质以及变形能力的柔性体。 [0038] 在这个或者这些本实施例中，所述柔性体为长条形柔性体，长条形柔性体的尾部能够更好被带动以产生轻微振动，进而脱落在尾部斜上方运动的涡以扰动温度边界层，从而将近壁面的热量带到低温区以实现对流换热。在其他的一个或者多个实施例中，所述柔性体的具体形状可根据实际需求或者实际情况进行设计或者选取，以更好改善流场结构，进而增强换热效果。 [0039] 在这个或者这些本实施例中，步骤S03所述根据所述换热壁面的热边界厚度，匹配所述第一构件的第二构件，包括如下步骤：获取所述换热壁面的热边界厚度，并基于所述热边界厚度确定与第一构件匹配的第二构件的长度范围。 [0040] 具体地，与第一构件匹配的第二构件的长度范围为：，其中，表示与第i个第一构件匹配的第二构件的长度，表示第一构件表面与换热壁面之间的最短距离，表示换热壁面的热边界厚度。 [0041] 可以知道的是，换热流道内流体在不同流动状态下，其对应的热边界厚度不同。 [0042] 当所述换热流道内流体的流动状态为层流状态时，换热壁面的热边界厚度为，且满足如下计算公式：，其中，表示在换热流道内，距离换热流道的入口为的位置处换热壁面的热边界厚度，表示换热流道内一处位置与换热流道入口之间的距离，表示流体的雷诺数，表示流体的普朗特数。 [0043] 当所述换热流道内流体的流动状态为湍流状态时，换热壁面的热边界厚度满足如下公式：，其中，表示在换热流道内，距离换热流道的入口为的位置处换热壁面的热边界厚度，表示换热流道内一处位置与换热流道入口之间的距离，表示流体的雷诺数。 [0044] 所述雷诺数是用于判断流体流动状态的参数，表征为： ,其中，表示流体的密度，表示流体的流速，表示换热流道长度，表示流体的动力粘度。具体来说，雷诺数反映了流体流动的稳定性：当雷诺数很小时，流动以黏性力为主，是层流流动；而当雷诺数较大时，流动以惯性力为主，是湍流流动。 [0045] 所述普朗特数衡量了流体内动量传递和热量传递的相对速率，表征为：,其中，表示流体比热容，表示流体的动力粘度，表示流体的导热率。具体来说，普朗特数越大，说明热量传递相对于动量传递来说更为有效，流体具有较高的热传导性；反之，普朗特数越小，热量传递相对不够有效，流体的热传导性较低。 [0046] 进一步地，步骤S03所述根据所述换热壁面的热边界厚度，匹配所述第一构件的第二构件，还包括如下步骤：获取长度满足所述长度范围的第二构件，并将所述第二构件与所述第一构件固定连接。如图2和图3所示，任一组第一构件和第二构件固定连接，具体地，长条形柔性体的一短边固定在圆柱形固体的侧表面。 [0047] 在其他的一个或者多个实施例中，如图1所示，所述基于流固耦合作用的换热流道优化方法，包括如下步骤：S04、基于所述流道优化坐标系，在所述布设位置处布设对应的第一构件和第二构件。 [0048] 容易理解的是，步骤S01所构建的流道优化坐标平面与换热流道的侧面投影为同一个平面，因此，步骤S02所确定的布设位置是第一构件在换热流道内布设位置的侧面投影。 [0049] 进一步地，基于匹配好的第一构件和第二构件，将第一构件沿垂直与所述流体运动方向，通过卡接或者其他固定方式，固定在换热流道的两相对侧壁上；所述第二构件的一短边固定在所述第一构件背流的侧表面。 [0050] 在一个实施例中，提供了一种换热流道，所述换热流道通过上述基于流固耦合作用的换热流道优化方法优化，优化后的换热流道中布设有一组或者多组所述第一构件和所述第二构件。 [0051] 进一地，所述换热流道内通入的流体为低温流体，通常是水或者其他类型的液体或气体；低温流体类型的选择取决于具体应用的要求，例如温度范围、热导率等。当低温流体在流道内流动时，与布设的第一构件和第二构件相互作用：其中，第一构件的存在改变了流体的流动路径和速度分布，促使流体围绕柱形固体产生卡门涡街或湍流等其他有益的流动结构；第二构件尾部的振动与脱涡，进一步改变了流动的路径和流场结构。 [0052] 具体地，当向所述换热流道内通入流体时，在第一构件上侧会发生脱涡，进而携带低温流体；第二构件的尾部会发生脱涡，扰动热边界层，携带高温流体，同时产生间隙射流打破流动滞止区；第一构件和第二构件两者涡相互作用同时发生热量交换，在增强涡街引起的对流作用的同时，打破了流动滞止区，有效地防止了换热壁面上方的热量集中，显著增强换热效果。 [0053] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

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