噴霧冷卻傳熱機(jī)理及空間換熱的地面模擬研究.pdf

1、噴霧冷卻是一種高效的高熱流密度散熱方式。由于具有換熱能力強(qiáng)、工質(zhì)流量小、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，噴霧冷卻在大熱流密度散熱條件下具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著星載電子元器件功率的大幅升高，噴霧冷卻將成為空間微重力條件下高熱流密度散熱的重要技術(shù)儲(chǔ)備。本文的工作重點(diǎn)在于研究噴霧冷卻的傳熱機(jī)理和換熱能力，并探索在地面上研究微重力條件下噴霧冷卻換熱能力的方法以及空間換熱的地面模擬方法。 首先，本文分析了噴霧冷卻過(guò)程中的各種傳熱現(xiàn)象，并基于

2、動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)原理，建立了常重力條件下噴霧冷卻的數(shù)學(xué)模型。模型中描述了噴霧冷卻中的各種換熱機(jī)制及物理現(xiàn)象，包括：工質(zhì)霧化、液膜運(yùn)動(dòng)、表面成核、二次成核和噴霧液滴擊碎氣泡等。利用該模型分析了噴霧冷卻中液膜的厚度、速度、各種換熱機(jī)制下的換熱量(包括液滴擊打表面換熱量、液膜沖刷表面換熱量、沸騰氣泡換熱量、與氣相環(huán)境之間的散熱量)、加熱表面溫度分布、噴霧冷卻曲線(xiàn)和噴霧冷卻的換熱系數(shù)等傳熱特性。分析結(jié)果表明：當(dāng)噴霧冷卻工作在兩相區(qū)換熱時(shí)，促使表面

3、成核氣泡快速脫離是提高噴霧冷卻換熱能力的有效方法之一。通過(guò)改變加熱表面和重力方向之間的夾角，分析了重力方向?qū)Ρ砻娉珊藲馀菝撾x機(jī)制的影響。 利用自行搭建的開(kāi)放式噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和前面建立的數(shù)學(xué)模型，分別從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面研究了常重力、常壓條件下的噴霧冷卻換熱特性。得到了加熱表面溫度分布、噴霧冷卻曲線(xiàn)和噴霧冷卻的換熱系數(shù)等傳熱特性。研究結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，兩者之間的誤差<10％；噴霧冷卻的加熱表面存在著較大的溫度

4、非均勻性。對(duì)加熱表面溫度分布不均勻性的分析結(jié)果顯示，這種不均勻性可達(dá)到15℃甚至以上；并且隨著加熱功率的增大，加熱表面的溫度非均勻性也隨著提高；然而，在加熱表面換熱從單相區(qū)過(guò)渡到兩相區(qū)的過(guò)程中，隨著加熱功率的增大，加熱表面的溫度非均勻性反而減小。利用噴霧冷卻曲線(xiàn)和換熱系數(shù)，評(píng)價(jià)了噴霧冷卻的換熱能力；總結(jié)了噴霧高度、噴霧壓力、以及噴霧張角等噴霧參數(shù)對(duì)噴霧冷卻換熱能力的影響；和通常大多研究者所認(rèn)為的不同，本論文發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻效果最好的噴霧高度

5、并非使得噴霧剛好完全覆蓋加熱表面時(shí)的高度；為了研究噴霧冷卻各種換熱機(jī)制對(duì)噴霧冷卻效果的影響，本文分析了各種換熱機(jī)制所導(dǎo)致的換熱量在噴霧冷卻總換熱量中所占的份額，發(fā)現(xiàn)隨著加熱表面過(guò)熱度的增大，沸騰氣泡換熱在總換熱量中所占的份額迅速提高，然而，當(dāng)表面加熱功率增大到一定值后，沸騰氣泡對(duì)總換熱量的貢獻(xiàn)趨于穩(wěn)定。 為了更進(jìn)一步研究分析噴霧冷卻的換熱機(jī)理和換熱強(qiáng)化方法，本文還對(duì)抽真空條件下噴霧冷卻的換熱效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，得到了抽

6、真空條件下噴霧冷卻曲線(xiàn)和換熱系數(shù)。結(jié)果表明：由于抽真空條件下的工質(zhì)飽和溫度低，噴霧冷卻更多地工作在兩相區(qū)，從而使得其換熱能力增強(qiáng)。利用上述噴霧冷卻數(shù)學(xué)模型，分析了在抽真空條件下加熱表面溫度分布、噴霧冷卻曲線(xiàn)、和噴霧冷卻的換熱系數(shù)，結(jié)果表明：加熱表面存在著溫度非均勻性：對(duì)加熱表面溫度分布不均勻性的分析結(jié)果顯示，這種不均勻性在抽真空條件下要低于常壓條件下；并且隨著加熱功率的增大，加熱表面的溫度非均勻性也隨著提高。通過(guò)和常壓環(huán)境下噴霧冷卻換熱

7、系數(shù)進(jìn)行比較，得到了抽真空條件下噴霧冷卻換熱的強(qiáng)化換熱因子，結(jié)果顯示：抽真空條件下的噴霧冷卻換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常壓下的噴霧冷卻換熱系數(shù)；當(dāng)噴霧腔內(nèi)壓力固定時(shí)，強(qiáng)化因子隨表面溫度單調(diào)變化。 由于微重力條件下進(jìn)行噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)十分困難，利用地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬微重力條件下的噴霧冷卻換熱特性就顯得十分重要。針對(duì)這種情況，本文建立了微重力條件下的噴霧冷卻數(shù)學(xué)模型，并對(duì)微重力條件下的噴霧冷卻換熱特性進(jìn)行了分析，提出了兩種噴霧冷卻地面模擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)

8、方案，通過(guò)比較地面條件和空間條件下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到了這兩種地面模擬實(shí)驗(yàn)方案的準(zhǔn)則關(guān)系式。 本文最后對(duì)空間密封艙內(nèi)流動(dòng)換熱的地面降壓法進(jìn)行了傳熱學(xué)分析。針對(duì)幾種典型航天器密封艙內(nèi)的流動(dòng)換熱，利用數(shù)值模擬方法分析了自然對(duì)流對(duì)艙內(nèi)溫度分布和對(duì)流換熱系數(shù)的影響，從而確定地面降壓法的臨界壓力比，并給出了判斷臨界壓力的準(zhǔn)則式和臨界Gr/Re2數(shù)。利用該準(zhǔn)則式，分析了某載人航天器密封艙(包括軌道艙和返回艙)流動(dòng)換熱的地面模擬實(shí)驗(yàn)方案，并通