基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法，包括：以点A(R

【技术实现步骤摘要】
基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及换热器设计
，具体是一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，针对空天推进领域空气预冷器的管型结构设计鲜有公开报道。在工业上，关于异型螺旋管式换热器的结构设计，主要针对换热需求，对换热管长、壳程换热面积进行设计，具体设计的主要为螺旋管的螺距、弯曲率、截面形状、换热管排布方式(比如叉排或顺排)、管间距等，缺乏对换热管线型的最优化设计。虽然专利CN113505502A公开了一种异型微通道换热管型设计方法，但其主要针对的是阿基米德螺线型的换热管，而基于阿基米德螺线的换热器在设计计算中存在三重循环、计算量大，且易在实际加工过程中出现偏差。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法及系统，主要用于预冷涡轮发动机或者组合发动机空气预冷器的异型换热管的管型设计，以圆弧作为单根换热管的基本线型，在已知换热器基本构型和流动损失要求的前提下，实现换热器内总换热面积最大的设计目标。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法，包括如下步骤：
[0005]以极坐标点A(R
A
，0)作为换热管中心圆弧线与换热器内径的交点，以极坐标点B(R
B
，θ
B
)作为换热管中心圆弧线与换热器外径的交点，其中，R
A
为换热器内径，R
B
为换热器外径，θ
B
为点B的极角；
[0006]基于极坐标点A(R
A
，0)与极坐标点B(R
B
，θ
B
)确定换热管中心圆弧线的最大弧长并基于换热器内径R
A
确定换热器中可布置换热管的最大数量n；
[0007]计算换热管数量为n时换热器横截面内的空气有效流通面积A
air
以及n根换热管的总换热面积S；
[0008]以换热器内径R
A
、极角θ
B
为控制参数，以空气有效流通面积A
air
满足预设条件且总换热面积S最大为目标进行优化，得到换热管中心圆弧线的最优线型设计。
[0009]在其中一个实施例，所述换热管中心圆弧线的最大弧长的确定过程为：
[0010][0011][0012]式中，AB为点A与点B之间的线段长度，2α0为最大弧长的圆心角。
[0013]在其中一个实施例，换热器中可布置换热管的最大数量的确定过程为：
[0014][0015]式中，d
i
为换热管内径，δ为换热管壁厚，符号表示向下取整。
[0016]在其中一个实施例，所述空气有效流通面积A
air
的确定过程为：
[0017]A
air
＝A
‑
A
tube
[0018]其中，
[0019][0020]式中，A为换热器横截面积，A
tube
为换热器横截面内n根换热管所占的面积，d
i
为换热管内径，δ为换热管壁厚。
[0021]在其中一个实施例，所述总换热面积S为：
[0022][0023]在其中一个实施例，所述空气有效流通面积A
air
满足预设条件，具体为：
[0024][0025]式中，A为换热器横截面积，σ％为最小空气有效流通面积占比。
[0026]在其中一个实施例，在进行优化的过程中，换热器内径R
A
与极角θ
B
的搜索空间为：R
A
∈(0，R
B
)、θ
B
∈[0，π]。
[0027]为实现上述目的，本专利技术还提供一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计系统，包括：
[0028]存储器，用于存储程序；
[0029]处理器，用于执行所述存储器存储的所述程序，当所述程序被执行时，所述处理器用于执行如上述的基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法的部分或全部步骤。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益技术效果：
[0031]选择圆弧线作为基础线型，相较于阿基米德螺线，参数空间维度从三维降至二维，循环次数减少、单次计算时间大大降低。且就线型自身的特点而言，阿基米德螺线每一点处曲率均不相同，而圆弧线的曲率为一定值，使用圆弧线能减少实际加工过程中的难度，易于低成本大批量生产，同时降低实际曲线与理论曲线的相对偏差，从而达到更好的强化换热效果。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0033]图1为本专利技术实施例中设计方法的流程图；
[0034]图2为本专利技术实施例中换热器基本工作原理示意图；
[0035]图3为本专利技术实施例中计算圆弧弧长的辅助图；
[0036]图4为本专利技术实施例中确定半圆心角α的取值范围的示意图；
[0037]图5为本专利技术实施例中函数f(α)随α的变化曲线图；
[0038]图6为本专利技术实施例中取d
i
＝0.8mm、δ＝0.3mm、R
B
＝80mm、σ％＝0.7时获得的最优换热管型布局示意图，其中：(a)为单根管型图，(b)为n根管型图。
[0039]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0040]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0041]需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0042]另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。
[0043]本实施例公开了一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法，主要用于预冷涡轮发动机，或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：以极坐标点A(R
A
,0)作为换热管中心圆弧线与换热器内径的交点，以极坐标点B(R
B
,θ
B
)作为换热管中心圆弧线与换热器外径的交点，其中，R
A
为换热器内径，R
B
为换热器外径，θ
B
为点B的极角；基于极坐标点A(R
A
,0)与极坐标点B(R
B
,θ
B
)确定换热管中心圆弧线的最大弧长并基于换热器内径R
A
确定换热器中可布置换热管的最大数量n；计算换热管数量为n时换热器横截面内的空气有效流通面积A
air
以及n根换热管的总换热面积S；以换热器内径R
A
、极角θ
B
为控制参数，以空气有效流通面积A
air
满足预设条件且总换热面积S最大为目标进行优化，得到换热管中心圆弧线的最优线型设计。2.根据权利要求1所述的基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法，其特征在于，所述换热管中心圆弧线的最大弧长的确定过程为：的确定过程为：式中，AB为点A与点B之间的线段长度，2α0为最大弧长的圆心角。3.根据权利要求1或2所述的基于圆弧线的异型微通道换热管型设计方法，其特征在于，换热器中可布置换热管的最大数量的确定过程为：式中，d
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪元，赵普君，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：