CN106347702B - 一种喷气导流板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷气导流板，包括填充相变材料的蜂窝结构层和具有冷却水溶液循环的混沌结构流道层，所述蜂窝结构上下表面为金属薄板，所述混沌结构流道层设置在所述蜂窝结构层下方，在所述混沌结构流道层的冷却水溶液循环通道内设置有具有按规律分布的凹槽，所述冷却水溶液中添加微胶囊相变材料。本发明喷气导流板，大大地提高了传热速度和效率，加速流道中间与壁面附近流体热量的交换，大大地增强了换热效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空领域的喷气导流板，具体涉及的是一种为提高散热速度，改善换热性能而设计的利用相变换热且具有混沌结构流道和蜂窝结构的喷气导流。
背景技术
随着现代电子和光学等技术的进步,以及对航空航天飞行任务要求的提高, 出现了一系列具有超高热流密度、短时和间歇工作的大功率组件,如激光武器、行波管和机动飞行控制***等。这类***的短时峰值发热量大大地超过了平均发热量,如星载雷达上的组合遥感器,其峰值辐射功率大于2000W，峰值工作时间占总时间的20％，而平均功率则小于600W。传统上对这类***有两种的散热设计:根据峰值功率工况进行设计和根据平均功率工况进行设计。前者的优点是可以保证在整个运行过程中电子设备温度都能保持在设计值以内，但其缺点是造成***重量和体积过大，能耗大，且大多数情况下容量过剩；后者所设计的***会有较小的体积和重量，但在峰值功率工况下运行时由于散热量不足会引起电子设备温度过高甚至烧毁，这使得其热可靠性明显降低并且也大大缩短了电子设备的使用寿命。
喷气导流板可以将高温燃气流向舷外或向上引导，为了降低燃气流的灼热温度，喷气导流板后面都装有供冷却水循环流动的格状水管。导流板在工作时，一般通过空气或者水进行冷却，要求温度迅速降低到不损害在其上面滚动的下一架待飞飞机轮胎的程度。目前常规的导流板热量的传递主要依靠金属材料的导热性能，但由于受到材料本身导热能力的限制，导流板的热量无法及时散发，使得板材极易烧损，减少了导流板的使用寿命，增加了航母的维护难度，另一方面，由于热量不能及时转移，将影响到下一架飞机的起飞，延长飞机的起飞时间，影响航母的作战效能。因此为了避免***容量过剩的同时，***能最大效率地将高温热量散出去，对现有的喷气导流板进行优化改良，使导流板的散热效果增强，同时提高其结构强度以适应其高温、高速射流的工作环境，迫切地需要寻找一种新型高效的导流板装置。
由于相变材料在相变过程中可以吸收或者释放大量潜热，具有储热密度高，温度控制恒定，易于控制等优点，可以应用于热量传递和温度控制等领域，同时受国内外对蜂窝结构的研究与应用的启迪，本发明将相变材料填充在正六角形的金属蜂窝结构中，一方面蜂窝结构可以增强导流板的结构强度，同时相变材料的填充强化了传热效果；近年研究表明，混沌对流可以显著强化对流和换热，可用来设计结构紧凑、高性能的混合与换热设备，本发明在下层水循环的管道中采用混沌结构流道，以快速将热量带走，加快散热。
发明内容
为解决现有导流板依靠金属材料导热，导热方式单一，传热效率较低，结构强度不足等这些问题，本发明提供了一种具有混沌结构流道和填充相变材料的蜂窝结构的导流板装置。由于该导流板装置，依靠相变材料的相变来吸收高温热流的热量，增大了传热速度，同时金属蜂窝结构的应用增强了导流板的结构强度，混沌结构流道的使用加速对流和换热速度，总之，该导流板在增强结构强度的同时大大提高了换热效率，达到了高效换热的目的，同时更好地适应高温、高速射流的工作环境。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种喷气导流板，其特征在于：包括填充相变材料的蜂窝结构层和具有冷却水溶液循环的混沌结构流道层，所述蜂窝结构上下表面为金属薄板，所述混沌结构流道层设置在所述蜂窝结构层下方，在所述混沌结构流道层的冷却水溶液循环通道内设置有具有按规律分布的凹槽，所述冷却水溶液中添加微胶囊相变材料。
所述蜂窝结构层的夹芯层是由金属材料制成的一系列六边形，夹芯层的上下表面为较薄的金属薄板，所述混沌结构流道层并排排列在所述蜂窝结构层下方。
所述凹槽为人字形凹槽，所述人字形凹周期间隔分布。
所述人字形凹槽的交叉夹角为150°。
前半个周期人字形凹槽的长边在上，人字形凹槽的短边在下；后半个周期人字形凹槽的短边在上，人字形凹槽的长边在下；每半个周期人字形凹槽的数量m 满足2≤m≤20，水流从所述混沌结构流道层上部流入，下部流出。
相变材料为固液相变材料，固液相变储能装置有良好的恒温性以及巨大的相变潜热，能有效地解决短时、周期性大功率电子器件的散热问题，在国外航空、航天和微电子等***上得到越来越广泛应用。所使用的固液相变材料为石蜡类有机相变材料，因为其储能密度大，化学性质稳定，价格低廉，相变温度范围广。当高温燃气喷射到所述的导流板上层金属表面时，热量传导到所述的蜂窝结构中的所述的相变材料中，所述的相变材料吸收热量，温度逐渐升高进而达到相变温度，所述的相变材料发生相变，温度保持在一定温度范围内的同时吸收大量热量。
窝结构的夹芯层是由金属材料制成的一系列六边形，夹芯层的上下表面均为较薄的金属薄板，研究表明正六边形的建筑结构密合度最高、所需材料最简、可使用空间最大，用等量的金属材料可使蜂窝结构具有最大的容积，将所述的相变材料填充在所述的蜂窝结构中也可以极大地改善所述的相变材料导热性能，同时所述的蜂窝结构相比较其他夹层结构来说，其具有更高的强度和刚度，结构效率也大大提高。
混沌结构流道并排排列在所述的蜂窝结构下方，根据所述的蜂窝结构的长度和宽度来布置所述的混沌结构流道，其下壁面的凹槽形状为人字交叉形，且周期性间隔分布，凹槽的交叉夹角为150°，前半个周期凹槽长边在上，短边在下，后半个周期凹槽短边在上，长边在下，每半个周期凹槽的数量m满足2≤m≤20，所述的冷却水溶液从所述的混沌结构流道上部流入，下部流出，所述的混沌结构流道中下壁面的人字形凹槽的布置可以使流体在流道中产生横向流动，凹槽的周期性分布可以周期性改变流体旋转流动中心，进而形成稳定的混沌对流。高温燃气的热量经上层所述的蜂窝结构传递到下层的所述的混沌结构流道中，所述的冷却水溶液在所述的混沌结构流道中流动时会带走所述的蜂窝结构中储存的热量，使其温度降低，进而所述的相变材料凝固，从而可以源源不断地吸收来自外部的高温燃气的热量，所述的冷却水溶液在所述的混沌结构流道中形成混沌对流，这种流动状态可以提高流体间的混合，促进流道中间与壁面附近的流体交换热量，从而增强混合与传热，但又不显著地增大压降。
冷却水溶液中添加微胶囊相变材料，微胶囊技术是一种用成膜材料把固体或液体包覆使形成微小粒子的技术，囊心物质为石蜡类有机相变材料，囊壁材料选用聚苯乙烯，石蜡类有机相变材料储能密度大，化学性质稳定，价格低廉，相变温度范围广，聚苯乙烯具有优越的保温隔热性，缓冲抗震性。微胶囊相变材料将微胶囊技术引入相变材料中，增大了传热面积，同时防止了相变材料与周围物质的反应，提高了换热效率。
有益效果：
本发明喷气导流板，该导流板上层蜂窝结构中填充固液相变材料，相变过程发生在一定温度范围内，且相变潜热远远高于显热吸收的热量，这大大地提高了传热速度和效率；由金属材料制成的蜂窝结构可以极大地改善所述的相变材料导热性能，其六边形的结构可使其具有最大的容积，同时其具有较高的强度和刚度，结构效率也大大提高；下层的混沌结构流道下壁面采用周期性布置的人字形凹槽，可使流体在其中产生稳定的混沌对流，加速流道中间与壁面附近流体热量的交换，大大地增强了换热效果；冷却水溶液中填充微胶囊相变材料，微胶囊技术的应用增大了换热面积，控制了相变化时相变材料体积的变化，提高了相变材料的使用效率。
附图说明
图1导流板整体结构图；
图2导流板上层蜂窝结构图；
图3导流板下层混沌结构流道图；
图4混沌结构流道下壁面结构图；
其中，1.上层蜂窝结构；2.下层混沌结构流道；3.金属薄板；4.蜂窝壁面；5.蜂窝腔体；6.人字形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图进行更进一步的详细说明：
图1给出了本发明导流板整体结构图。一种喷气导流板由上层蜂窝结构1 和下层混沌结构流道2构成。当高温燃气P喷射到导流板上部时，热量通过金属薄板3传递给上层蜂窝结构1，蜂窝腔体5里面的相变材料快速吸收大量热量，且温度上升在一定范围内，下层混沌结构流道2里面流动着冷却水溶液，从上往下连续流动，如图1中小箭头所示，用来吸收上层蜂窝结构1积攒的热量，从而使导流板能连续不断地工作。
图2给出了导流板上层蜂窝结构图，上层蜂窝结构1由金属薄板3、蜂窝壁面4和蜂窝腔体5组成。喷射的高温燃气通过金属薄板3传递到蜂窝结构内部，蜂窝腔体5为正六边形结构，在等量的制作材料下可以有最大的容纳空间，且正六边形结构具有较高的结构强度，能适应高温、高速射流的工作环境，腔体内部的相变材料为固液相变材料，固液相变储能装置有良好的恒温性以及巨大的相变潜热，能有效地解决短时、周期性大功率电子器件的散热问题，所使用的固液相变材料为石蜡类有机相变材料，因为其储能密度大，化学性质稳定，价格低廉，相变温度范围广。
图3给出了导流板下层混沌结构流道图，流道的数目可根据上层蜂窝结构的宽度来布置安排，图3所示的流道数目n＝3，混沌结构流道的下壁面凿有一定数目的人字形凹槽6，水流方向如图3中箭头所示，从混沌结构流道上部流入，下部流出。冷却水溶液中添加微胶囊相变材料，囊心物质为石蜡类有机相变材料，囊壁材料选用聚苯乙烯，将微胶囊技术引入冷却水溶液中，增大了传热面积，同时防止了相变材料与周围物质的反应，提高了换热效率。
图4给出了混沌结构流道下壁面结构图，图中的人字形凹槽6呈周期性间隔分布，一个周期的长度为C，凹槽的交叉夹角为150°，前半个周期C1的凹槽长边61在上，短边62在下，后半个周期C2的凹槽短边在上，长边在下，每半个周期凹槽的数量m满足2≤m≤20，混沌结构流道中下壁面的人字形凹槽的布置可以使流体在流道中产生横向流动，凹槽的周期性分布可以周期性改变流体旋转流动中心，进而形成稳定的混沌对流。
Claims (5)
1.一种喷气导流板，其特征在于：包括填充相变材料的蜂窝结构层和具有冷却水溶液循环的混沌结构流道层，所述蜂窝结构上下表面为金属薄板，所述混沌结构流道层设置在所述蜂窝结构层下方，在所述混沌结构流道层的冷却水溶液循环通道内设置有具有按规律分布的凹槽，所述冷却水溶液中添加微胶囊相变材料。
2.根据权利要求1所述的喷气导流板，其特征在于：所述蜂窝结构层的夹芯层是由金属材料制成的一系列六边形，夹芯层的上下表面为较薄的金属薄板，所述混沌结构流道层并排排列在所述蜂窝结构层下方。
3.根据权利要求2所述的喷气导流板，其特征在于：所述凹槽为人字形凹槽，所述人字形凹周期间隔分布。
4.根据权利要求3所述的喷气导流板，其特征在于：所述人字形凹槽的交叉夹角为150°。
5.根据权利要求4所述的喷气导流板，其特征在于：前半个周期人字形凹槽的长边在上，人字形凹槽的短边在下；后半个周期人字形凹槽的短边在上，人字形凹槽的长边在下；每半个周期人字形凹槽的数量m满足，水流从所述混沌结构流道层上部流入，下部流出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |