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高端装备制造产业

需求背景

换热装置是船舶动力系统重要的组成部分，提高换热装置的紧凑性凑、换热能力以及降低噪声高对于提升动力系统功率密度及隐身性能具有重要意义。

当前船舶动力系统换热器装置存在着以下几个突出问题：

（1）海洋条件下，换热器通道内噪声产生及传递机理不清晰，换热器通道缺乏热声融合设计方法。

随着我国海洋装备性能的不断提升，研制具有高功率密度、高可靠性、低噪声的换热系统，切实提高海洋装备的紧凑性、可靠性和安静性等核心性能，对于保障海洋装备的生命力和战斗力具有直接而重大的意义。同等功率等级上，我国海洋装备换热系统功率密度要比美、英、俄等先进装备低20%以上，其可靠性和安静性也与国外先进水平有一定差距，极大限制了整体性能的提升。因此，开发新型紧凑、高效、可靠、低噪声的换热技术是我国海洋装备快速发展的迫切需求。

近年来，印刷电路板式换热器（印刷电路板换热器）作为一种新型紧凑高效换热技术，已经在船舶、核电、石油化工、航空航天、太阳能等众多领域引起广泛关注。印刷电路板换热器通道内径只有***2.0mm，相同换热功率下重量、体积仅为传统管壳式换热器1/5和1/8左右。另外，由于印刷电路板换热器内流体通道尺寸小，且为多孔结构。研究表明，这类多孔结构具有良好的消声效果。声波进入印刷电路板换热器后，一方面由于流通截面尺寸、结构多次变化，使得声波多次反射和干涉而衰减；另一方面，声波在印刷电路板换热器多孔结构中多次反射，引起孔隙中的流体和固体框架振动而导致摩擦和粘滞阻力，进一步将声能转变为热能而被吸收。可以看出，印刷电路板换热器既能满足高紧凑、高可靠的换热需求，又能同步实现消声功能，因此被认为是海洋装备紧凑、高效、可靠、低噪声换热系统的最佳选择。

（2）恶劣海况条件下印刷电路板换热器换热器流量分配不均匀性加剧，导致换热器局部流动阻力增加，传热性能下降，缺少优化手段。

印刷电路板换热器具有紧凑、高效、高可靠的独特优势，被认为是受限空间和恶劣环境下高效换热的最佳选择之一。但是将印刷电路板换热器 应用于水下船舶动力系统，恶劣海况条件将引起船体大幅度的摇摆、起伏、振动和冲击等作用均会对印刷电路板换热器 换热通道内的流动换热过程带来显著影响，而海洋摇摆条件与印刷电路板换热器 换热通道内流动换热过程的耦合作用机理研究尚属空白。

（3）海洋条件下，船舶换热装置紧凑度差，占用空间大

在水下船舶中，动力舱室空间小，结构经凑，传统的整体印刷电路板换热器设计无法满足船舶动力系统对换热装置紧凑性及可靠性的要求，因此亟需提出新的印刷电路板换热器整机设计思路，基于多模块设计的印刷电路板换热器共形设计方案可以有效提升换热装置的紧凑性及可靠性，但是在海况条件下的惯性力作用会加剧印刷电路板换热器内多模块流量分配不均，进而导致换热性能大幅下降，甚至影响安全性。

随着我国海军的发展，对船舶动力系统的低噪声、紧凑性、安全可靠运行提出了更高的要求。换热器是船舶动力系统的关键设备之一，在目前技术状态下，特别是海洋条件下，换热器管束振动及流致噪声，海洋条件下多通道分流不均导致局部阻力增加，以及大功率换热装置紧凑度低等问题，影响我国船舶动力系统隐身性能及功率密度的提高。本项目从换热器低噪声技术、高效减阻技术、紧凑化设计技术等三个方面进行换热器创新性研究和关键技术攻关，突破了船用换热器热声融合降噪技术、仿生翼型换热板增效减阻技术、大曲面多模块共形设计技术，提出了高效低阻低噪声换热器技术方案，发明热声耦合立体多孔消声结构，自组织仿生翼型减阻换热模块，研制了多模块大曲面舷间贴体共形换热器，实现了高效低阻紧凑船舶换热装置自主研发能力。

需解决的主要技术难题

1 由于换热器进出口结构的复杂性，不同通道进出口局部水力损失特性存在较大差异，这也是造成不均匀流量分配的直接原因。单纯的经验常数或经验公式难以反映实际进出口复杂流场对局部水力损失的影响作用。

2 降低印刷电路板换热器流动阻力。

3 进一步降低仿生翼型微细通道的流动阻力。

期望实现的主要技术目标

1 针对集流进出口印刷电路板换热器换热板片通道内流量分配不均匀的问题，设计不同的流量分配方案

2 研究了通道内流量分配特性和流动阻力特性，采用内外壁圆弧半径相等且弯曲半径较大的分流板，以大大减小通道入口处流体的转角，缓和流体在通道入口处的流动分离，降低通道的流动分配不平衡度，改善流动均匀性，降低印刷电路板换热器换热板片进出口压损

3 通过对非连续的标准翼型肋片进行定量分析，通过单元数值模拟方法，研究肋片各尺寸关系以及间距等参数对传热性能的综合影响因素，总结出翼型肋设计传热与阻力关联式

4 采用自组织几何协同理论开展基础冷却单元的自组织构建，并研究其流动传热特性。

需求解析

解析单位：“科创中国”高端装备产业科技服务团（中国造船工程学会） 解析时间：2023-10-13

王献忠

武汉理工大学

教授

综合评价

项目采用仿生低阻微细通道强化换热技术，提出适用于海洋条件的高均流供液微细通道进出口优化设计技术，开发仿生型微细通道换热肋片结构，形成基于鱼群自组织行为的微细通道换热肋片分布准则，实现了高效低阻微细通道强化换热，通道总流量不均匀度≯10%，相同换热功率下通道流阻较Z字型通道降低50%以上。 项目针对我国船舶传热装置管束振动流致噪声高，海洋条件下多通道分流不均局部阻力大以及紧凑度等问题，本项目针对船舶换热装置开展先进高效低阻低噪声换热技术研究，突破换热器热声融合设计及多通道多模块共形设计等关键技术，研制船舶动力系统高效低阻低噪声换热器原理样机，大幅降低船舶动力系统换热器流致噪声，减小船舶换热器阻力，全面提升船舶换热器的紧凑度，为实现船舶动力系统对换热设备低噪声、高效低阻紧凑的综合需求提供技术支撑。 本项目研究形成的微细通道消声换热融合设计与仿生低阻微细通道强化换热技术可推广至海洋平台、FLNG船舶等领域，提升系统声学性能，降低船舶的能耗，进一步提升船舶的经济性和可靠性。 此外，通过本项目的研究，促进了传热学、流体力学、声学，及其交叉学科的发展。

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