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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：一种可实现分形流动的仿蜂巢换热芯体设计方法及换热器，包括以下步骤：S1、确定换热芯体的基本换热单元、S2、构建基本腔室单元的切割平面控制方程、S3、形成换热芯板组件和基本折流板、S4、将换热芯板组件与基本折流板进行层叠组装、S5、加装封口条和导流条等得到待测试换热芯体、S6、判断待测试换热芯体的结构指标是否达到预设要求、S7、加装换热测试结构，加装完成后对待测试换热芯体模型进行性能指标测试、S8、计算获得性能指标，判断该性能指标是否达到预设值。本发明基于蜂巢的基本结构进行变形和拼接，提出一种紧凑度高、耐压性好、换热功率高、可实现分形流动，在高温高压时也能进行高效换热的换热芯体设计方法。

主权项：1.一种可实现分形流动的仿蜂巢换热芯体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定换热芯体的基本换热单元：以正六棱柱空腔体作为所述基本换热单元；S2、构建具有仿蜂巢立体结构的基本腔室单元的切割平面控制方程，并进行参数调节：S201、建立三维直角坐标系:以所述基本换热单元的下底面中心点为原点，建立三维直角坐标系；并将原点坐标设置为0，0，0，所述三维直角坐标系为右手直角坐标系；S202、构建基本腔室单元的外轮廓控制方程：第1步、分别在基本换热单元三个不相邻的侧棱上的相同高度上各选取一个点作为第一侧棱等高点，所述第一侧棱等高点与所述基本换热单元下底面的距离相同；选取基本换热单元下底面的中心点，用选取的四个点中的任意两个第一侧棱等高点与基本换热单元下底面的中心点来构造三个不同的平面，作为基本换热单元的下方切割平面；所述下方切割平面的三个控制方程如下： 其中，x，y，z为所述右手直角坐标系中任意一点在X轴，Y轴和Z轴的坐标值，l为基本换热单元的下底面的正六边形边长，h为第一侧棱等高点到下底面的中心点的垂直高度；则下方切割平面的切割倾斜角度为第2步、利用三个所述下方切割平面对所述基本换热单元进行切割，得到具有下凸壁面的基本换热单元；第3步、分别在第一侧棱等高点的所在侧棱上各选取一个点作为第二侧棱等高点；所述第二侧棱等高点与所述基本换热单元的下底面的距离相同；选取基本换热单元上底面的中心点，用选取的四个点中的任意两个第二侧棱等高点与基本换热单元上底面的中心点来构造三个不同的平面，作为基本换热单元的上方切割平面；其中，第二侧棱等高点与所述基本换热单元的下底面的距离为h′＝kh，k为给定系数；基本换热单元上底面的中心点的坐标为0,0,k+1h；所述上方切割平面的三个控制方程如下： 三个上方切割平面的切割倾斜角度第4步、利用三个所述上方切割平面对所述具有下凸壁面的基本换热单元进行切割，得到同时具有上凸壁面和下凸壁面的具有仿蜂巢立体结构的基本腔室单元的外轮廓；第5步、构建基本腔室单元的外轮廓中的六个侧面所在平面方程如下： 第6步、在所述基本腔室单元的外轮廓的六个侧面中选取两个相对侧面开设扩散通孔，作为扩散侧壁面；其余两两相邻的四个侧面开设有分流通孔，作为分流侧壁面；得到基本腔室单元；S3、对基本腔室单元进行拼接和切割加工，形成换热芯板组件和基本折流板：S301、换热组件的形成：所述换热组件包括第一单层换热板和第二单层换热板；首先拼接第一单层换热板：将S2步骤中确定的多个基本腔室单元沿所述右手直角坐标系的X轴方向和Y轴方向以蜂窝排列的形式拼接在一起使其成为平面板状结构；拼接时，基本腔室单元间的扩散侧壁面与分流侧壁面分别对应拼接，并将各基本腔室单元之间的扩散侧壁面以平行于所述右手直角坐标系的X轴方向进行拼接，以使所述扩散侧壁面平行于来自X轴的冷介质的流入方向；基本腔室单元的分流侧壁面与所述右手直角坐标系的X轴呈60°或120°夹角，以使所述分流侧壁面朝向或背对来自X轴的冷介质的流入方向；然后进行第二单层换热板的拼接：将S2步骤中确定的基本腔室单元以其上下顶点连线为轴顺时针或逆时针在所述右手直角坐标系中旋转60°后，按照第一单层换热板的拼接方式得到第二单层换热板；第一单层换热板及第二单层换热板中由各个分流通孔构成的流道作为主流分流通道，第一单层换热板及第二单层换热板中由各个扩散通孔构成的流道作为扩散通道；将第二单层换热板平行置于第一单层换热板的下方得到换热组件；S302、对步骤S301得到的换热组件进行切割，得到换热芯板组件：对换热组件的两侧进行切割使其形成梯形渐缩状的换热芯板组件，并使所述换热芯板组件的梯形短边作为入流端，而梯形长边作为出流端；在换热芯板组件的梯形短边和长边处分别设置有进气预留通道和出气预留通道，用于连接进气集管和出气集管；进气预留通道与所述第一单层换热板和第二单层换热板的梯形短边处的分流通孔相连通；同样地，出气预留通道与第一单层换热板和第二单层换热板的梯形长边处的分流通孔相连通，以使进气集管处流入的冷介质在换热芯板组件中实现快速扩散并分形流动为多支支流；S303、基本折流板的形成：沿平行所述右手直角坐标系的X轴的切割线，将所述第一单层换热板从中央切割开，形成相互对称的一对基本折流板；S4、将换热芯板组件与基本折流板进行层叠组装：将步骤S3的换热芯板组件上下平行排列形成内部换热芯体；基本折流板分别平行设置于内部换热芯体的上侧面和下侧面，以使基本折流板与相邻的换热芯板组件之间、相邻换热芯板组件之间形成热介质折流通道；S5、在换热芯板组件和基本折流板的短边及长边上避开进气预留通道和出气通道位置分别依次加装封口条和导流条；然后加装出气集管和进气集管，出气集管由上至下将基本折流板和平行排列的各个换热芯板组件的出气预留通道进行连通；进气集管由上至下将基本折流板和平行排列的各个换热芯板组件的进气预留通道进行连通，得到待测试换热芯体；S6、判断所述待测试换热芯体的结构指标是否达到预设要求，若是，则按照步骤S5得到的待测试换热芯体制作待测试换热芯体模型，若否，则返回步骤S2中对所述下方切割平面及上方切割平面的控制方程中的参数γ、γ′、k进行调节，其中，γ用于控制基本腔室单元中下凸壁面的倾斜度，γ′用于控制控制基本腔室单元中上凸壁面的倾斜度；直至结构指标达到结构指标的预设要求；所述结构指标包括结构紧凑度以及换热芯体的构件密度；S7、在待测试换热芯体模型的外部加装换热测试结构，对待测试换热芯体模型进行流体状态参数测定：S701、制作换热测试结构：所述换热测试结构包括进口空腔段、稳定段、渐缩段和出口空腔段，其中，进口空腔段、出口空腔段均为两端开放的长方体空腔，稳定段包括用于垂直固定于进口空腔段上开放端两端的两个平行隔板，渐缩段包括用于固定在待测试换热芯体模型两侧的两个斜向隔板，并使所述斜向隔板的间距自进气集管向出气集管方向逐渐缩小；S702、在待测试换热芯体模型外部加装换热测试结构：首先，将斜向隔板固定在所述待测试换热芯体模型的外侧壁上，然后在进气集管端的斜向隔板端部上固定所述平行隔板作为稳定段，再将稳定段与进口空腔段固定连接；然后将出口空腔段固定于出气集管段的斜向隔板端部；最后在出口空腔段、渐缩段、稳定段及进口空腔段所围区域的上下开放端加设盖板，所述盖板上分别设有与所述出气集管和进气集管相连通的出流连通孔和入流连通孔；换热测试结构安装完成；S703、进行性能指标测试：性能指标测试的方法为：在进口空腔段、出口空腔段、出流连通孔和入流连通孔处接入流体传感器；在入流连通孔中通入冷介质，然后在进口空腔段通入热介质，热介质经稳定段后进入渐缩段内部的待测试换热芯体模型中，进行充分换热后从出口空腔段流出，通过所述流体传感器得到待测试换热芯体模型流动过程的流体状态参数，通过流体状态参数换算得到换热功率和压降性能指标，所述流体状态参数包括流场、温度场参数；S8、通过步骤S7的流体状态参数计算获得性能指标，判断该性能指标是否达到预设值，若满足要求，则得到最终的换热芯体，设计结束；若否，则返回步骤S2对所述下方切割平面和上方切割平面的控制方程中的参数的γ、γ′、k进行调节，直至流体状态参数达到预设值；所述性能指标包括流阻、换热功率。

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