【技术实现步骤摘要】
本申请涉及一种脉动气流强化受限空间换热系统及方法，属于受限空间强化换热。
技术介绍
1、受限空间强化换热在能源动力、航空航天、电子电力、核反应等方面有着广泛的应用。随着设备高集成化、高性能化的发展，设备运行时的温度也不断升高。为了保证各设备在高温下的工作寿命及安全运行，必须解决高温设备的换热问题。
2、为了强化受限空间的对流换热，现有研究通常对扰流肋形状、排列方式等进行优化来强化壁面对流换热。然而，受限于冷却空间尺寸，采用扰流肋来增强通道对流传热存在局限性：采用扰流肋强化换热时要求肋间距大，换热面积并未得到扩展；同时，扰流肋后缘近壁区存在低速区、存在滞止涡，使得局部区域传热性能较差，导致局部壁面温度高、壁面均温性差等问题。
技术实现思路
1、本申请提供一种脉动气流强化受限空间换热系统及方法，以解决现有方案采用扰流肋来增强通道对流传热存在局限性的问题。
2、为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
3、第一方面，本申请实施例提供一种脉动气流强化受限空间换热系统，包括脉动气流发生装置、受限空间强化换热通道和脉动气流控制器；
4、所述脉动气流发生装置包括气源储罐、主气流管路及多个脉动气流支路；所述主气流管路上安装有主路流量调节阀，系统工作时，所述主路流量调节阀处于常开状态；每个所述脉动气流支路上均安装有支路流量调节阀和高频开关阀，系统工作时，所述支路流量调节阀保持设定开度，所述高频开关阀处于不同频率的周期性开闭状态；所述气源储罐的入口与高
5、所述受限空间强化换热通道的受热面的外侧设有热源，受热面的内侧布置有多个扰流肋，且受限空间强化换热通道的受热面的内侧复合有微尺度多孔结构；所述受限空间强化换热通道具有一个主气流入口、多个分布式脉动气流入口和一个主气流出口；所述主气流入口与所述主气流管路的出口连通，所述多个分布式脉动气流入口均与所述脉动气流管路连通，所述主气流出口用于排出所述受限空间强化换热通道内部的气流；所述多个分布式脉动气流入口分布于各所述扰流肋的后缘位置，用于周期性横向流入冷却气流；
6、所述脉动气流控制器包括信号输入端、信号输出端和脉动气流控制程序；所述信号输入端用于输入所述脉动气流强化受限空间换热系统的工作参数，所述脉动气流控制程序用于基于所述工作参数处理得到阀门控制信号，所述信号输出端用于输出所述阀门控制信号给对应的阀门执行器，以控制所述主气流管路和所述脉动气流支路上的阀门的开度。
7、基于以上的系统，可选地，所述脉动气流强化受限空间换热系统的工作参数包括：所述气源储罐的温度和压强信号、所述受限空间强化换热通道的进出口温度信号以及壁面温度信号；所述阀门控制信号包括所述主路流量调节阀的开度控制信号、各所述高频开关阀的开闭频率控制信号。
8、基于以上的系统，可选地，所述微尺度多孔结构为表面凹凸不平的多孔骨架，且导热系数高于所述受限空间强化换热通道的基底材质。
9、基于以上的系统，可选地，凸起的多孔骨架内部具有开放式微小空隙，凸起的多孔骨架之间存在开放式微小凹坑，且所述开放式微小空隙和所述开放式微小凹坑均允许冷却气流流入和流出。
10、第二方面，本申请实施例还提供一种脉动气流强化受限空间换热方法，适用于第一方面任意一项所述的脉动气流强化受限空间换热系统，所述方法包括：
11、步骤s1：基于傅里叶级数原理，构建所述脉动气流发生装置的脉动气流模型；其中，所述脉动气流模型中，所述脉动气流发生装置的总供气流量 q为所述主气流管路的流量 q0与各所述脉动气流支路的流量和δ q之和；且所述脉动气流管路的时均流量等于脉动幅值 a；脉动气流的波动特性包括方波或三角波；
12、步骤s2：对各管路阀门流量特性依次进行校验测定，获得各管路流量大小与对应的流量调节阀的阀门开度的函数关系，构建流量特性模型，记为：
13、
14、式中， p为气源储罐内部表压强， t为气源储罐内部温度，δ q1、δ q2、δ q3、δ q4依次为各脉动气流支路的流量， v0、 v1、 v2、 v3、 v4依次为主路流量调节阀的阀门开度以及各所述支路流量调节阀的阀门开度；
15、步骤s3：基于传热学基本原理，结合实验数据和运行数据，建立受限空间强化换热通道传热模型，记为：
16、
17、式中， q为受限空间强化换热通道受热面的平均热流密度， tw为受限空间强化换热通道受热面的平均壁温， tf为受限空间强化换热通道内气流定性温度， h为受限空间强化换热通道内对流传热系数， x为受限空间强化换热通道的几何特征尺寸参数， f为脉动气流的脉动频率；
18、步骤s4：将建立的所述受限空间强化换热通道传热模型、所述流量特性模型和所述脉动气流模型集成到脉动气流控制器的脉动气流控制程序；
19、步骤s5：获取所述受限空间强化换热通道的受热面的实际壁温 tw，并与壁温设定值 tw,set计算温度偏差，若所述温度偏差超出受限空间强化换热通道的受热面壁温的上限阈值δ tw,up或下限阈值δ tw,down，则对主气流流量 q0、脉动气流支路的流量δ q和脉动频率的至少之一进行调节，以改变冷却气流换热能力。
20、基于以上的方法，可选地，所述步骤s1中，所述脉动气流支路的数量为4个，且各所述脉动气流支路的流量特性为三角函数，脉动幅值以及脉动频率与脉动气流流量δ q之间满足傅里叶级数展开，并保留前4项，建立的脉动气流模型为：
21、
22、其中， t是脉动发生时间序列，δ q1、δ q2、δ 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种脉动气流强化受限空间换热系统，其特征在于，包括脉动气流发生装置、受限空间强化换热通道和脉动气流控制器；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉动气流强化受限空间换热系统的工作参数包括：所述气源储罐的温度和压强信号、所述受限空间强化换热通道的进出口温度信号以及壁面温度信号；所述阀门控制信号包括所述主路流量调节阀的开度控制信号、各所述高频开关阀的开闭频率控制信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微尺度多孔结构为表面凹凸不平的多孔骨架，且导热系数高于所述受限空间强化换热通道的基底材质。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，凸起的多孔骨架内部具有开放式微小空隙，凸起的多孔骨架之间存在开放式微小凹坑，且所述开放式微小空隙和所述开放式微小凹坑均允许冷却气流流入和流出。
5.一种脉动气流强化受限空间换热方法，其特征在于，适用于如权利要求1至4任意一项所述的脉动气流强化受限空间换热系统，所述方法包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述脉动气流支路的数量为4个，且各所述
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，对主气流流量Q0进行调节的调节方法为：
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当脉动气流为脉动幅值为A、脉动频率为f的方波时，则各所述脉动气流支路的流量设定为：
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当脉动气流为脉动幅值为A、脉动频率为f的三角波时，则各所述脉动气流支路的流量设定为：
...【技术特征摘要】
1.一种脉动气流强化受限空间换热系统，其特征在于，包括脉动气流发生装置、受限空间强化换热通道和脉动气流控制器；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉动气流强化受限空间换热系统的工作参数包括：所述气源储罐的温度和压强信号、所述受限空间强化换热通道的进出口温度信号以及壁面温度信号；所述阀门控制信号包括所述主路流量调节阀的开度控制信号、各所述高频开关阀的开闭频率控制信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微尺度多孔结构为表面凹凸不平的多孔骨架，且导热系数高于所述受限空间强化换热通道的基底材质。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，凸起的多孔骨架内部具有开放式微小空隙，凸起的多孔骨架之间存在开放式微小凹坑，且所述开放式微小空隙和所述开放式微小凹坑均允许冷却气流流入和流出。
5....
【专利技术属性】
技术研发人员：杨绪飞，李飞，吴涛，朱志能，张伟，陈宇杰，孙东亮，宇波，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：
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