带球窝/球凸流动控制结构的流体流动换热实验装置

摘要

本发明公开一种带球窝/球凸流动控制结构的流体流动换热实验装置，包括调速电机、离心泵、测试段、电加热系统、流量计、水箱温控系统和水箱；调速电机连接所述离心泵；水箱的出水口连通测试段入口，测试段出连通离心泵的入口，离心泵的出口连通水箱；测试段包括相互扣合的实验通道上盖板和实验通道下盖板；实验通道下盖板中部设有凹陷区域，所述凹陷区域内填充有积木式球窝/球凸流动控制结构。本发明通过更换球窝/球凸、展向填充块、流向填充块等结构，改变通道内的球窝/球凸相对深度、展向间距、流向间距，球窝与球凸组合方式，该设计改进了测试通道整体成型设计方法，采用积木式分块结构化设计，可方便快捷，省时省力的完成通道几何参数的改变。

说明书

【技术领域】

本发明涉及流动换热技术领域，特别涉及一种流体流动换热实验装置。

【背景技术】

在国防、生物医学、航空航天、电子工业等领域中都涉及到能量与质量传递过程，其 中高效节能紧凑式换热设备起到了十分关键的作用。随着科学技术的快速发展以及能源问 题的日益突出，换热设备负荷及换热强度逐渐增大，因此对换热系统的换热效率提出了更 高要求，强化换热技术也由此受到学术界和工程界越来越多的重视。

球窝和球凸是在壁面按一定规律布置的一种球面凹坑和凸起，是一种被动控制结构。 国内外学者对布置球窝/球凸通道几何参数、球窝/球凸组合方式以及流动参数进行了深入广 泛的研究，揭示了球窝/球凸的强化换热与阻力特性，对于发展高效低阻的新型紧凑强化换 热装置和基于球窝/球凸结构的燃机叶片冷却结构起到了重要的推进作用。

随着高效紧凑型换热器的进一步发展，传统换热工质很难满足某些具有特殊结构的换 热器对高负荷换热强度的要求。因此，发展新型换热工质成为强化换热技术的重点。

纳米流体被视为新一代换热流体，纳米流体是由纯液体和悬浮于其中的纳米尺寸金属 颗粒所组成的混合流体，纳米流体具有远远高于传统工质的热导率，并且稳定性很高，自 1995年提出纳米流体概念后，相关强化换热研究得到了广泛的发展并获得了良好的效果。

非牛顿流体指的是不满足牛顿内摩擦定律的流体，在存在流动分离和再附的通道内， 非牛顿流体，尤其是幂律流体在通道不同位置处粘性差别较大，易在通道中形成法向粘性 差，并导致较大的法向应力差，该作用将使通道内形成二次流，促进换热的进行，而且， 通道内流动中由于不同位置剪切率的变化，非牛顿流体粘性变化较大，容易产生高强度的 剪切流动，同样会提升换热性能。

有机工质由于其具有较低的蒸发温度，在热源温度较低时具有其他工质所不具备的优 势，可以快速高效的移除热源温度。

综上所述，将上述多种特性流体与球窝/球凸流动控制相结合进行强化换热和流动实验 研究具有重要的工程和学术价值，如：（1）利用纳米流体具有较高的热导率，结合球窝/ 球凸结构的强化换热和流动减阻性能，得到可实现更高换热性能的强化换热方式；（2）利 用非牛顿流体在湍流和复杂分离再附流动中的减阻效果，以及易于在大宽高比通道内形成 二次流的特性，结合球窝/球凸结构的强化换热和流动减阻性能，得到在提升强化换热性能 同时，阻力系数基本不变或有所降低的有益效果；（3）利用有机工质蒸发点温度较低的特 点，结合球窝/球凸结构的强化换热和流动减阻性能，实现在热源温度较低的特殊应用中强 化换热的效果。上述的多种特性流体和球窝/球凸流动控制相结合而进行的强化换热和流动 的实验研究，使得特殊应用中器件表面大量热量的快速移除具有了现实可行性。

进一步地，现有的布置球窝/球凸流动控制结构通道设计时，均为整体设计，在数控加 工中心进行整体成型，该方法获得的通道几何参数是固定的，如果几何参数（如球窝/球凸 间展向间距、流向间距等）变化时，必须重新进行整个通道加工，不仅费时费力，而且通 道不具有通用性。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种带球窝/球凸流动控制结构的流体流动换热实验装置，将球 窝/球凸结构和多种特性流体的强化换热性能进行组合，在提高换热性能的同时，阻力升高 较小，获得性能更佳的强化换热效果，并可由实验装置中流量、温度和压力测试部件进行 换热和流动参数的定量测量；并针对实验装置中的测试段通道提出了积木式分块结构化设 计，可根据实际需要方便快捷地得到球窝/球凸不同展向间距和流向间距的通道结构，并可 得到球窝与球凸结构各种相互组合型式，丰富了研究内容，大大减少通道加工时间和费用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

带球窝/球凸流动控制结构的流体流动换热实验装置，包括调速电机、离心泵、测试段、 电加热系统、流量计、水箱温控系统和水箱；调速电机连接所述离心泵；水箱的出水口通 过通道入口段连通测试段的测试段入口，测试段的测试段出口通过通道出口段连通离心泵 的入口，离心泵的出口通过管道连通水箱；测试段上设有用于测试测试段的通道内流体温 度测量的第一测温系统和第二测温系统、用于测试测试段的通道内流体温度的第三测温系 统和第二测温系统、用于测取测试段两端压力差的差压变送器、用于均匀加热测试段的电 加热系统；测试段包括相互扣合的实验通道上盖板和实验通道下盖板；实验通道下盖板中 部设有凹陷区域，所述凹陷区域内填充有积木式球窝/球凸流动控制结构。

本发明进一步的改进在于：球窝/球凸流动控制结构由若干块球窝、球凸和填充块组 合填充于所述凹陷区域中形成；

或者，球窝/球凸流动控制结构由若干块球窝和填充块组合填充于所述凹陷区域中形 成；

或者，球窝/球凸流动控制结构由若干块球凸和填充块组合填充于所述凹陷区域中形 成。

本发明进一步的改进在于：所述球窝/球凸为带有球形凹陷/凸起的方形块体；所述填 充块包括展向填充块和/或流向填充块；所述填充块用于填充球窝/球凸展向/流向与通道盖 板之间的空隙。

本发明进一步的改进在于：所述若干球窝/球凸大小、形状和材质相同。

本发明进一步的改进在于：第一测温系统和第二测温系统分别设置于测试段的出口和 入口处；第三测温系统和第四测温系统分别设置于测试段的出口和入口处。

本发明进一步的改进在于：通道入口段为圆转方接头，通道出口段为方转圆接头。

本发明进一步的改进在于：测试段中形成有方形流道，所述方形流道的宽高比为4～1； 球窝/球凸中凹陷/凸起的高度与测试段中方形流道的高度之比为0.05～0.15。

本发明进一步的改进在于：离心泵在调速电机的控制下，驱动流体流动，流体由水箱 流经通道入口段和测试段入口后进入带球窝/球凸流动控制结构的测试段，实验中测试段采 用电加热系统进行均匀化加热，提供外部热源，在该过程中，由第一测温系统和第二测温 系统进行测试段的通道壁面温度测量，由第三测温系统和第四测温系统进行测试段的通道 内流体温度测量，由差压变送器测取测试段两端压力差，得到通道流动阻力参数，流体流 出测试段出口段后，经由离心泵进入上侧循环回路，并经流量计测量实验流量，随后返回 水箱完成流动循环；水箱中设有水箱温控系统，对水箱内流体进行温度测量和升温降温控 制，使经通道循环返回水箱的流体在水箱内恢复设定温度。

本发明进一步的改进在于：所述流体为非牛顿流体、纳米流体、有机工质及其相互组 合形成的流体。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明带球窝/球凸流动控制结构通道设计时，可通过更换球窝/球凸、展向填充块、流 向填充块等结构，改变通道内的球窝/球凸相对深度、展向间距、流向间距，球窝与球凸组 合方式，该设计改进了测试通道整体成型设计方法，采用积木式分块结构化设计，可方便 快捷，省时省力的完成通道几何参数的改变。

本发明实验装置中选用离心泵驱动流动循环，并设计了变转速系统进行转速调节，可 获得通道内的不同流速工况。

本发明实验装置中设计了通道入口段和测试段入口段，保证测试段消除流动进口效应， 设计了通道出口段和测试段出口段，避免测试段的流动出口效应影响。

实验装置中在测试段上下盖板的进出口分别设置了三个流体温度测点，共十二个温度 测点，消除测试误差，以此获得进出口流体的准确温度；同时在测试段上下盖板的进出口 分别设置了三个通道壁面温度测点，共十二个温度测点，消除测试误差，以此获得进出口 流体的准确温度。

本发明实验装置中的电加热系统采用加热片对通道外侧壁面进行加热，均匀化的加热 方式避免了通道壁面局部温度差别引起的实验误差。

【附图说明】

图1是本发明实验装置整体布局图；

图2是实验通道单侧盖板示意图；

图3（a）和图3（b）分别是球窝和球凸流动控制结构三维图；

图4是展向填充块示意图；

图5是流动方向填充块示意图；

图6是球窝叉排布置方案X示意图；

图7是球窝叉排布置方案X装配过程示意图；

图8是球窝叉排布置方案X上视图；

图9是球窝顺排布置方案Y示意图；

图10是球窝顺排布置方案Y上视图。

其中：1是调速电机，2是离心泵，3是测试段（带球窝/球凸矩形通道），4是差压 变送器，5是热电阻测温系统，6是电加热系统，7是流量计，8和9是水箱温控系统，10 是水箱；

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图10所示，本发明带球窝/球凸流动控制结构的流体流动换热实验装置， 包括调速电机1、离心泵2、测试段3、差压变送器4、热电阻测温系统5、电加热系统6 是、流量计7、水箱温控系统8和水箱10。

水箱10的出水口通过通道入口段连通测试段入口，测试段出口通过通道出口段连通 离心泵2的入口，离心泵2的出口通过管道连通水箱10。通道入口段为圆转方接头，用于 连接水箱10出口的圆管和方形测试段入口；通道出口段为方转圆接头，用连接方形测试段 出口和离心泵2的入口圆管。

测试段3包括实验通道上盖板和实验通道下盖板11，实验通道上盖板和实验通道下 盖板11扣合并密封，在上下盖板之间形成方形流道。

离心泵2在调速电机1的控制下，驱动通道内流体的流动，流体由水箱10流经通道 入口段后进入带球窝/球凸流动控制结构30的测试段3，实验中测试段3采用电加热系统6 进行均匀化加热，提供外部热源，在该过程中，由测温系统51和52进行测试段3的通道 壁面温度测量，由测温系统53和54进行测试段3的通道内流体温度测量，由差压变送器 4测取测试段3两端压力差，得到通道流动阻力参数，流体流出测试段出口段后，经由离 心泵2进入上侧循环回路，并经流量计7测量实验流量，随后返回水箱10完成流动循环， 水箱10中设有水箱温控系统8，对水箱10内流体进行温度测量和升温降温控制，可保证 经通道循环返回水箱10的流体在水箱10内恢复设定温度，避免实验过程中因为测试段流 体加热所带来的实验误差。

参见图2-图5，该四部分结构所选用的材料相同，在图2实验通道下盖板11中部凹 陷区域110，根据设计参数，采用图3中的球窝12和球凸13结构进行组合填充，位置视 其展向间距和流向间距进行布置，在通道内未填充球窝/球凸结构的展向位置选用图4的展 向填充块14进行填充，在通道内未填充球窝/球凸结构的流向位置选用图5的流向填充块 15进行填充，该填充块是根据带球窝/球凸结构通道设计时的几何参数进行划分的，填充后 可保证通道结构的完整性。实际使用中，往往需要改变通道内球窝12与球凸13结构的组 合方式、展向间距、流向间距等参数，现有的在数控加工中心进行加工的方法需要对通道 整体成型制作，在每一次变换几何参数时，需要重新进行整个通道的加工，费时费力，而 且各部件的通用性较差，尤其是在需要采用球窝和球凸相间组合的通道时，在通道结构尺 寸较小的情况下，难以在数控加工中心精确加工，而采用积木式分块结构化设计方法，可 以单独批量加工球窝/球凸结构单元，加快了加工时间和加工精度，仅需通过调整展向填充 块和流向填充块结构，便可根据实际需要随意组合成不同的球窝/球凸结构通道，而且可方 便快捷地得到球窝/球凸不同展向间距和流向间距的通道结构，并可得到球窝与球凸结构各 种相互组合型式，丰富了研究内容，大大减少通道加工时间和费用。

参见图6-图8，由实验通道下盖板11、球窝12、展向填充块14组合而成的球窝叉排 布置通道，图6为部分已装配完成的通道结构，图7为该部分装配过程的示意图，各单元 模块依次装配在实验通道下盖板11上的凹陷区域110中，并根据实际需要采用填充块进行 展向端头填充，组合而成球窝叉排结构通道。图8是该组合结构的上视图。球凸结构通道 和球窝与球凸组合结构通道装配方式与上述方法类似。

参见图9和图10，由实验通道下盖板11、球窝12、展向填充块14，流向填充块15 组合而成的球窝顺排布置通道，图9是部分已装配完成的通道结构，图10是其上视图，视 实际需要，将球窝12填充于实验通道下盖板11上的凹陷区域110中，并在展向加入展向 填充块14，沿流动方向在球窝12间加入流向填充块15，以此调整球窝12的流向相对间距， 获得不同几何参数下的通道结构。球凸结构通道和球窝与球凸组合结构通道装配方式与上 述方法类似。

本发明中测试段3中方形流道的宽高比为4～1，所选通道宽高比较大，与微通道热沉 等换热器结构的实际情况相对应，可依次对真实应用环境下的换热结构进行详细研究；球 窝12/球凸13中凹陷/凸起的高度与测试段3中方形流道的高度之比为0.05～0.15，选择该参 数范围进行实验研究，可在不影响流道通流能力的前提下，较大程度地得到大宽高比通道 内球窝/球凸结构对流动和换热性能的影响。