[发明专利]带球窝/球凸流动控制结构的流体流动换热实验装置

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；