一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道

摘要

本发明公开了一种进口集液腔，包括内腔封闭的本体，本体在水平面投影为：前端为一直线，后端为左右对称、且由前到后的阶梯状折线；本体后端的折线上沿其走向分布设置有多个出液口；本体的上表面前端竖直设置有进液管。改善了通道的流量分配特性，使冷却区域的温度分布趋于均匀，从而避免由于热应力导致的部件失效的改善流量分配均匀性。

说明书

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道。

背景技术

平行通道的流量分配特性对换热装置的传热效率有十分重要的影响，而在实际工程应用中，随着通道数量的增加，各通道的流量分配不均匀性也随之增加，导致总体换热效率降低，甚至个别通道流量减小引起局部高温超限，造成换热装置的损毁。在换热装置设计过程中，受到相对位置以及装置进出口数量的限制，流体进出口集管的数量一般比平行冷却通道数量要少得多，流体进入进口集液腔后，受到集液腔形状以及平行支管的影响，沿程方向出现大量漩涡，流动阻力增大，使得远端支管冷却剂流量远远小于近端支管的质量流量。

目前常见的平行冷却通道布局方式有U型、Z型、I型、C型等，在航天发动机的再生冷却系统中，常采用I型布局，其流量分配沿进口中心面呈对称型分布，靠近进口集管处的支管的流量比远端支管要大得多。关于优化换热器通道内分配均匀的研究很多，像文献《Diffusers-flow phenomena and design》(Department of mechanical engineering,Stanford University,Stanford,Calif.,1978)，研究了在输入口中使用挡板或孔板，可使换热器进口处的流量分配更加均匀，提到对于穿孔板，其中心区的孔径应该小，随着离中心距离的增大而逐渐增大孔口直径。像专利《CN202792697U》设计了一种方案：输入管送来流体先进入到流体分配管，再由流体喷射小孔喷出到入口集流管与扁管相通的腔体中。其通过流体分配管能够同时向远端扁管和近端扁管喷射流体，平衡了远端与近端扁管之间的冷媒阻力，改善了远端扁管与近端扁管的冷媒分配的均匀性，从而提高平行流换热器的换热性能。像专利《CN101568792A》在进口集管内设置了插入件，该插入件具有多个开口，用于改善各个通道的流量分配特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种改善了通道的流量分配特性，使冷却区域的温度分布趋于均匀，从而避免由于热应力导致的部件失效的改善流量分配均匀性的平行冷却通道。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种进口集液腔，包括内腔封闭的本体，本体在水平面投影为：前端为一直线，后端为左右对称、且由前到后的阶梯状折线；本体后端的折线上沿其走向分布设置有多个出液口；本体的上表面前端竖直设置有进液管。

进一步地，该本体开设在待冷却腔体的进液端的腔壁内部。

进一步地，该本体的上、下表面均为向上凸起的光滑圆弧面，且进液管位于本体的中心对称线上。

本发明还公开了一种改善流量分配均匀性的进口集液腔组，包括上述的多个本体；多个本体的左右侧端依次相通，并排列形成一环状体。

本发明还公开了一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道，包括上述的进口集液腔组，还包括出口集液腔组，出口集液腔组开设在冷却腔体的出液端的腔壁内部，进口集液腔与出口集液腔的个数相一致，且对应的进口集液腔的出液口和出口集液腔的进液口之间通过多个平行设置的冷却通道相连通。

进一步地，该冷却通道设置于待冷却腔体的腔壁内部。

进一步地，该一个进口集液腔和一个出口集液腔之间连通的多个冷却通道满足以下条件：以设置于进口集液腔的中心对称线的冷却通道的宽度为基础，其两侧的冷却通道均依次相对于前一冷却通道以等比因子q减小，其中：q<1。

进一步地，该对应的一个进口集液腔和一个出口集液腔中，相邻冷却通道的长度相差X。

进一步地，该X＝0.2mm。

进一步地，该每一个出口集液腔均相对竖直设置有出液管，且出液管的位置与对应的进液管的位置相一致。

本发明一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道具有如下优点：改善了通道的流量分配特性，使冷却区域的温度分布趋于均匀，从而避免由于热应力导致的部件失效。

附图说明

图1是本发明中集液腔本体的水平面投影图；

图2是本发明一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道的结构示意图；

图3是本发明一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道的侧面图；

图4是本发明一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道的B-B剖面图；

图5是本发明中改变进出口集液腔构型后的流量分布曲线；

图6是本发明中改变所有通道宽高比后的流量分布曲线；

图7是本发明中改变通道1～4的宽高比后的流量分布曲线；

其中：a.本体；1.冷却通道；2.环状体；3.进液管；4.出液管；5.出口集液腔。

具体实施方式

本发明一种进口集液腔，如图1所示，包括内腔封闭的本体a，本体a在水平面投影为：前端为一直线，后端为左右对称、且由前到后的阶梯状折线；本体a后端的折线上沿其走向分布设置有多个出液口；本体a的上表面前端竖直设置有进液管3。本体a开设在待冷却腔体的进液端的腔壁内部。本体a的上、下表面均为向上凸起的光滑圆弧面，且进液管3位于本体的中心对称线上。

本发明公开了一种改善流量分配均匀性的进口集液腔组，如图2所示，包括上述的多个本体a；多个本体a的左右侧端依次相通，并排列形成一环状体2。

本发明公开了一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道，如图2、图3和图4所示，包括上述的进口集液腔组，还包括出口集液腔组5，出口集液腔组5开设在冷却腔体的出液端的腔壁内部，进口集液腔与出口集液腔的个数相一致，且对应的进口集液腔的出液口和出口集液腔的进液口之间通过多个平行设置的冷却通道1相连通。冷却通道1设置于待冷却腔体的腔壁内部。一个进口集液腔和一个出口集液腔之间连通的多个冷却通道1满足以下条件：以设置于进口集液腔的中心对称线的冷却通道1的宽度为基础，其两侧的冷却通道1均依次相对于前一冷却通道1以等比因子q减小，其中：q<1。对应的一个进口集液腔和一个出口集液腔中，相邻冷却通道1的长度相差X。X＝0.2mm。每一个出口集液腔均相对竖直设置有出液管4，且出液管4的位置与对应的进液管4的位置相一致。

本发明一种改善流量分配均匀性的平行冷却通道适用于航天发动机再生冷却系统中的冷却通道I型布局的方式，根据实际工况确定冷却通道1的总数。根据具体应用背景的任务要求，已知可用的冷却剂质量流量m，由换热量要求求得冷却通道内对流换热系数、通道高度/宽度/肋片厚度/内壁面厚度。得到基本构型的几何参数之后，结合有限元分析软件进行数值模拟，得到基本构型的流量分布特性，在计算通道流量分布特性时，本发明中对比了k-ε与RSM湍流模型的准确度，发现RSM模型的结果更加准确，同时，与文献中的实验结果也吻合的更好。通过RSM湍流模型，对流动和传热特性不均匀分布的冷却通道1进行数值研究分析，确定需改变宽度的冷却通道1的个数n，以中心对称线为基准，向两侧数，每一侧均依次为1、2、3、4……。等比因子q越小，对流量分配特性的改善效果越明显，但缩比因子存在一个阈值，过大的缩比因子会过度减小近端支管的流量，造成远端支管的流量急剧增大，因此在具体实施中，比例因子需要根据具体应用的构型进行设计，当比例因子过于大时，会引起远端通道流量明显大于近端通道，造成“逆向不均匀分布”。在确定集液腔通道间肋的缩进差值X时，对比基本构型的非均匀系数分布与本申请的X＝0.2mm时，流量分布改进的比例，确定具体应用实施时的X值。由图5和图6可得，通道截面积的改变对流量分布特性影响显著。并且，改变进液口两侧的部分冷却通道1的截面积，即可达到较好的效果。

本发明中，设计了如下方案，在航天发动机的再生冷却系统中，可以按照方案9的方式选择合适的X，将入口集液腔之间的每个冷却通道之间长度相差一个同样的长度X，使通道长度呈等差数列递减，入口集液腔之间的平行通道呈一个“凸”字型排布。同时根据具体通道尺寸，选择通道截面积的比例因子q，使流量分布特性与热壁侧热流分布特性保持趋势一致，构成一个新型的改善流量分配均匀性的冷却通道1。通过对冷却通道1进行数值研究，表明本发明可以很好地改善流量的分配均匀性，在设计本发明中的改善流量分配均匀性的平行冷却通道1时，采用了现用平行冷却通道为基本构型，并作为对比的基准，各构件改进的平行冷却通道与基本构型的平行冷却通道改变的参数如表1所示：

表1基准构型与各改进构型的几何参数

如图5所示，为改变进出口集液腔构型后的流量分布曲线，由图可知，与出口集液腔相比，进口集液腔对于流量分配特性的影响更加显著，同时，采用本发明中的进口集液腔得到较为均匀的流量分配特性。

如图6所示，为改变所有通道宽高比后的流量分布曲线，由图可知，通道宽高比对流量分配特性的影响十分显著，缩比因子小于1有助于改善I型平行通道的流量分配特性，但是缩比因子需谨慎选择，否则会引起逆向不均匀分布。。

如图7所示，为改变通道1～4的宽高比后的流量分布曲线；由图可知，仅改变非均匀系数大于1.0的通道1～4的宽高比，既能改善通道整体分配特性，又避免了逆向不均匀分布，获得了相对均匀的流量分配特性。