分形树状通道换热器

可靠高效的热控系统是保障航空飞行器安全飞行的首要前提之一,随着航空飞行器制造技术的迅捷发展,其机载电子、电气设备的热可靠性指标也越来越苛刻,这就对机载换热器件的换热能力、泵功消耗以及温度均匀性提出了更高的要求。因此,在航空热控系统中,迫切需要研发结构优化的新型换热设备以实现高效冷却、散热。

仿生学经常能为设备优化提供有益启示。比如,人体的呼吸循环系统是一个非常高效的传热传质系统,人体中血管、气管和淋巴管都是从宏观尺度开始不断分叉到细胞尺度,在这些分叉中,高层次和低层次的分叉结构都是相似的,该种结构被B.B.Mandelbrot[1]称为分形结构。如将此分形结构应用于机载换热器件的设计研发,应能大大提高其热有效性,且由于通道呈树网状分布,可使换热表面的温度分布更加均衡。分形树状通道换热器即是受此思想启迪而发展起来的一种新型高效冷却、散热技术。

近年来,在分形结构流动换热研究领域已经取得了一定的进展,研究表明,分形结构对于提高系统的传热传质效率具有很强的促进作用]。A.Bejan等借鉴分形理论,提出了一套用于电子器件冷却的树状结构换热系统设计方案,并且指出该结构的泵功消耗与流动阻力较之平行结构大为减小。D.V.Pence等在圆形散热表面上设计了一套分形结构换热器,但是考虑到常规的电子芯片大多为矩形表面,故该类圆形散热器件的应用范围相对比较狭窄。可是,单层矩形树状结构却无法实现流体循环,针对这一问题,Y.P.Chen等[6]设计了一系列适用于矩形表面的三明治结构分形树状换热器,使得分形结构更具实用性,研究发现,分形结构换热器与传统的平行通道换热器相比具有更强的散热能力和热有效性。另外,为指导传热传质系统的优化设计,A.Bejan等[又在分形理论的基础上提出了一套用于系统优化设计的自构建理论。

S.M.Senn等对Y.P.Chen等提出的分形树状结构中的层流流动换热和压降进行了数值模拟。X.Q.Wang等分别对适用于圆形和矩形表面电子芯片散热的分形树状换热器进行了流动换热研究,结果表明,分形通道壁面的温度均匀性明显优于平行通道。W.Wechsatol等通过研究T型通道中的层流和湍流流动,提出在日趋微型化的电子芯片散热中,不可忽视分叉效应对于强化换热的关键作用。

但是,由于受到分形结构复杂性和计算负荷较大的限制,现有的数值研究大多为一维或二维模型,即使少量的三维工作也并未很好考虑流固耦合。分形树状通道换热器中传热传质机理尚未得到全面揭示,尤其是分叉对流动和换热的影响研究不够全面,能够更直观地体现其优越均温性的受热面温度分布研究也非常缺乏。为此,本文针对Y.P.Chen等提出的三明治结构分形通道设计方案,建立了恒热流条件下层流流动换热的三维稳态模型,采用流固耦合计算方法对分形树状通道换热器内流动换热进行了数值模拟,重点研究了分形树状通道换热器分叉处二次流的强化换热作用及受热表面的温度分布特性,并与传统蛇形通道进行了比较。同时,还加工了分形树状和蛇形通道换热器各一套,对数值模拟结果进行了实验验证。

1分形网络理论设计

如图1所示,参照人体呼吸系统的分形结构设计通道换热器,分形分叉网络生成方法如下:

①如图1(a)所示,每一段通道在下一层次都有两个分支,即N=2,且Ф=180°。

②k+1层次段的长度与k层次段长度的比值为

式中:d0为初始通道水力直径。现有研究表明[1],哺乳动物肺部支气管分叉树结构的指数Δ=3,鉴于肺中的空气流动和传热过程相当有效,故选择Δ=3作为水力直径分形维数。通道分布如图1(b)所示,通道级数为6,为了使冷却流体能自由循环且散热效果均匀,通道分为上、下两层。下层通道除了出口与上层通道的进口方向相反外,其他都相同。各级通道均为矩形截面且深度h一致。上层通道中的最高级分叉末端皆有通孔与下层通道的分叉末端相连通。分形树状通道换热器的整体结构见图1(c),由上、中、下3块铝板制成,中间层通道基板上下表面上布置分形通道。如图1(d)所示,换热器关于x=Lx/2平面对称,为了减少计算负荷,取整体的1/2为计算控制体。表1给出了分形树状通道的几何参数。

另外,设计与分形树状通道换热器具有相同受热面积、通道换热面积和入口几何参数的蛇形通道,以比较两者的温度均匀性和压降。蛇形通道如图2所示。在图1和图2中的换热器外型尺寸:Lx=138mm,Ly=101·8mm,Lz=16mm。