[发明专利]一种热质交换强化结构及其设计方法

说明书

本发明公开了一种热质交换强化结构及其设计方法，包括流动控制结构母体、自射流通道和流动通道；流动控制结构母体为凸起型结构，流动控制结构母体设置在流动通道内或外壁上；流动控制结构母体上贯穿布设连接来流主流与出口位置的自射流通道；所述出口位置为离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界，或者尾迹与流动控制结构母体的交界。本发明使用带自射流的流动控制结构，可以在提高换热性能的同时，使得流动阻力增加较小，进而可大幅提升通道的综合传热传质效率，从而减小设备体积，提高其经济性和安全可靠性。

技术领域

本发明属于能源动力、石油化工、交通运输和航空航天等行业中的传热传质领域，特别涉及一种热质交换强化结构。

背景技术

众多工业领域，如能源、运输、微电子、化工、航天器热控制和制造业等都涉及到能量与质量传递过程，其中热质交换设备起到了十分关键的作用。而随着科学技术的快速发展以及能源问题的日益突出，热质交换设备负荷逐渐增大，对系统效率提出了更高要求，因此强化传热传质技术受到学术界和工程界越来越多的重视。

采用流动控制结构，如球窝、球凸、肋片等结构，进行传热传质强化已经得到了广泛的研究和应用，是一种有效的强化传热传质技术。流动控制结构以一定的规律布置在管道内侧或者外侧，在流体流过管道时，流动控制结构会破坏流动边界层，避免了流动边界层的进一步增厚，同时破坏温度边界层，促进主流与壁面附近流体的能量交换，进而提高热流场中速度与温度梯度的协同性，使得传热传质过程得以强化。

但是，另一方面，由于流动控制结构的引入，在强化传热传质过程中，流体在流动控制结构附近会出现不同程度的流动分离现象，并且在其后形成尾迹，由于流动的分离再附以及尾迹的影响，系统的流动阻力出现不同程度的增加，而这主要则是由于压差阻力的大幅提升而引起的。因为，流体绕流时出现的分离泡和尾迹中强烈运动的漩涡将不断地消耗流体的机械能，导致其中压强较低，从而物体表面前后的压强不相等，形成压差阻力，压差阻力随分离流动和尾迹的强度和尺度的增加而增加。例如带圆柱/方形肋和凸起等流动控制结构的通道内流动阻力便会出现急剧增加。

流动阻力的增加将在很大程度上影响系统的综合传热传质效率，进而影响系统的经济性和安全可靠性。所以控制尾迹区的尺度和强度，降低压差阻力的增长程度，以使系统流动阻力增加较小，同时保证强化传热传质过程的有效进行，将有利于大幅提升强化传热传质过程的综合效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热质交换强化结构及其设计方法，能够应用于强化传热传质过程，以解决上述技术问题。本发明为带自射流的流动控制结构，该结构由凸起型流动控制结构及其上布设的自射流通道组成。使用该带自射流的流动控制结构，可以在提高换热性能的同时，使得流动阻力增加较小，进而可大幅提升通道的综合传热传质效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热质交换强化结构，包括流动控制结构母体、自射流通道和流动通道；流动控制结构母体为凸起型结构，流动控制结构母体设置在流动通道内或外壁上；流动控制结构母体上贯穿布设连接来流主流与出口位置的自射流通道；所述出口位置为分离涡或角涡的核心区与流动控制结构母体的交界，或者尾迹核心区与流动控制结构母体的交界。

进一步的，流动控制结构母体的凸起型结构为球凸、针肋、柱肋、梯形肋、扰流块中的一种。

进一步的，自射流通道的通道类型为均匀横截面积的直通道或非均匀横截面积的非直通道。

进一步的，自射流通道内部两侧壁面为光滑壁面或布设有流动控制结构(图中未给出)。

进一步的，自射流通道内部两侧壁面布设的流动控制结构包括主动控制结构和被动控制结构。

进一步的，自射流通道开设方向与主流方向一致或与主流方向成一定夹角α，0＜α≤42.5°。