(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211168395.7 (22)申请日 2022.09.24 (71)申请人 常州工学院 地址 213032 江苏省常州市新北区辽河路 666号 (72)发明人 徐永明　赵倩文　徐子逸　王延波　 王欢　张理想　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 杨红娟 (51)Int.Cl. F28F 1/42(2006.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种空-空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化 换热管及其设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种空 ‑空冷却电动机用螺旋 丁胞复合强化换热管及其设计方法， 涉及电机 冷 却技术领域。 本发明包括内部中空的圆柱形管 体， 管体的外壁上设有肋片， 所述肋片由管体的 一端螺旋盘绕至管体的另一端， 管体的侧壁向管 体内部凹陷， 在管体外壁形成球凹， 在管体的内 壁与球凹响应位置处形成球凸， 所述球凹和球凸 构成丁胞结构。 本发明对通过单因素优化方法选 择换热管的主要结构参数： 丁胞深度、 肋片高度、 肋片间距距、 丁胞排列密度的最优值设计换热管 结构。 本发明换热性能远高于普通光滑圆管， 在 强化换热的基础上产生仅较小的压力损失。 权利要求书3页 说明书11页 附图7页 CN 115523789 A 2022.12.27 CN 115523789 A 1.一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管， 其特征在于， 包括内部中空 的圆 柱形管体， 管体的外壁上设有肋片， 所述肋片由管体的一端螺旋盘绕至管体的另一端， 管体 的侧壁向管体内部凹陷， 在管体外壁形成球凹， 在管体的内壁与球凹响应位置处形成球凸， 所述球凹和球凸构成丁胞 结构。 2.根据权利要求1所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管， 其特征在 于， 所述肋片的纵截面呈三角形、 矩形或梯形。 3.根据权利要求1所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管， 其特征在 于， 所述丁胞结构均匀分布在肋片两侧。 4.一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方法， 其特征在于， 包括如 下步骤： S1、 根据电机 外壳的长度确定管体的管体参数； S2、 利用单因素优化分析方法确定最优的丁胞深度ds、 最优肋片高度hs、 最优肋片间距 ws和最优丁 胞排列密度ss； 根据所述 管体管体 参数、 最优的丁 胞深度、 最优肋片高度、 最优肋 片间距和最优丁胞排列密度确定最优的空 ‑空冷却电动机用螺 旋丁胞复合强化换 热管。 5.根据权利要求4所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方法， 其特征在于， 所述管体参数包括管体长度、 管体外径、 管体壁厚、 肋片形状和管体材质。 6.根据权利要求4所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方法， 其特征在于， 步骤S2包括： S21建立因素集合X＝{d*， h*， w*， s*}， 其中， d*＝d/D为丁胞无量纲深度； h*＝h/D为肋片 无量纲高度； w*＝w/D为肋片无量纲间距； s*＝s/ πD为 丁胞无量纲排列密度； S22、 以丁胞无量纲深度d*作为待优化因素， 保持步骤S1设定的管体 结构参数、 肋片无量 纲高度、 肋片无量纲间距和丁胞无量纲 排列密不变的情况下， 建立n个不同丁胞无量纲深度 时的换热管三维模型， 建立对应的n个丁胞 无量纲深度下的换 热管计算域模型； S23、 对所述换热管计算域模型进行网格划分， 建立对应于空 ‑空冷却电动机冷却器运 行时的换热管流热耦合计算模型， 对 所述流热耦合计算模型施加边界条件， 利用步骤S22所 述的各因素 数值对换 热管流热耦合模型进行 数值模拟； S24、 计算不同丁胞无量纲深度下对应的换热性能， 综合考虑强化换热和其带来的压降 损失间的平衡， 确定换热性能最优时的丁胞无量纲深度为最优丁胞无量纲深度 进而得 到最优丁胞深度ds； S25、 分别以肋片无量纲高度h*、 肋片无量纲间距w*和丁胞无量纲排列密度s*作为待优 化变量， 重复执行步骤S22 ‑S24， 得到最优肋片无量纲高度 最优肋片无量纲间距 和最 优丁胞无量纲 排列密度 进而得到最优肋片高度hs、 最优肋片间距ws和最优丁胞排列密度 ss。 7.根据权利要求6所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方法， 其特征在于， 步骤S2包括： 设定四个因素的初始值集合为 为丁 胞无量纲深度的初始值， 为肋片无量纲高度初始值， 为肋片无量纲间距初始值， 为丁 胞无量纲排列密度初始值；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115523789 A 2以丁胞无量纲深度d*作为待优化因素时， n个不同丁胞无量纲深度的换热管三维模型在 保持步骤S1设定的管体结构参数、 肋片无量纲高度为 肋片无量纲间距为 和丁胞无量 纲排列密为 不变的情况 下建立； 以肋片无量纲高度h*为待优化因素时， n个不同丁胞无量纲高度的换热管三维模型在保 持步骤S1设定的管体结构参数、 丁胞无量纲深度 肋片无量纲间距为 和丁胞无量纲排 列密为 不变的情况 下建立； 以肋片无量纲间距w*为待优化因素时， n个不同肋片无量纲间距的换热管三维模型在保 持步骤S1设定的管体结构参数、 丁胞无量纲深度 肋片无量纲高度为 和丁胞无量纲排 列密为 不变的情况 下建立； 以丁胞无量纲排列密度s*为待优化因素时， n个不同丁胞无量纲排列密度的换热管三维 模型在保持步骤S1设定的管体结构参数、 丁胞无量纲深度 肋片无量纲高度为 和肋片 无量纲间距为 不变的情况 下建立。 8.根据权利要求6所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方法， 其特征在于， 所述 流热耦合计算模型采用双方程 k‑ωsst湍流模型， 所述湍流模型为： 式中： ε为湍动能耗散率； ρ 为密度； uj为速度分量； μ为层流黏性； υ为分子运动黏性； β*、 β 、 γ、 σk、 σω、 σω2为封闭常数。 9.根据权利要求6所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方法， 其特征在于， 所述换 热性能采用热流密度q和性能指标PE C评价， 所述 性能指标PE C为： 式中， Nua、 Nub分别表示所述螺旋丁胞复合强化换热管和光滑圆管的平均Nu数， fa、 fb分 别表示所述螺 旋丁胞复合强化换 热管和光滑圆管摩擦阻力系数。 10.根据权利要求6所述一种空 ‑空冷却电动机用螺旋丁胞复合强化换热管的设计方 法， 其特征在于， 所述边界面条件设定包括： 设定管外流体域两侧 为对称边界； 设定管外流 体域上下两侧分别为压力出口和速度入口边界； 设定管内流体域进出口分别为速度入口和 压力出口边界； 设定模型的其 他外边界为 绝热边界条件， 内壁 面为耦合边界条件； 所述绝热边界条件为： 所述耦合 边界条件为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115523789 A 3