机载喷雾冷却特性的实验与研究

摘要

随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高，高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展。因此如何高效、可靠地解决机载电子设备在高热流密度下(数量级可达102乃至1032W/cm)的快速散热，对于提升我国下一代战机的作战能力具有重要的研究意义。相比于传统冷却方式，喷雾冷却具有传热温差小、表面温度均匀性好，工质需求量少、换热性能优等优点。然而作为机载设备，不仅需要满足基本的换热要求，同时还应考虑飞机特殊的应用场合对冷却系统的要求及冷却系统在飞行包线下的运行特性和适应性。本文拟通过搭建高功率机载喷雾冷却实验台，研究飞行姿态、热沉表面结构、雾化器参数、不同工质对大面积高功率喷雾冷却系统性能的影响，拟在传热机理、数学模型、求解方法及工程应用上取得突破，得到适用于机载高功率武器喷雾冷却的通用模型，为机载喷雾冷却原理性样机提供实验与理论支撑。本文具体工作内容如下：
　　(1)喷雾冷却流动特性的数值分析
　　液膜冲刷换热作为喷雾冷却换热中的重要组成部分,对液膜的流动特性进行研究显得尤为重要。本文基于fluent软件建立喷雾腔的数学模型，通过离散项加载喷嘴模块，研究喷雾高度、雾化夹角、喷雾流量对热沉表面液膜流动特性的影响。研究表明，液膜高度在中间区域相对较低，并沿径向先增大后减小；液膜速度在中心区域最低，且波动较大，另外沿径向液膜流动速度逐渐增大，当接近圆周边缘时，速度达到最高点。另外随着喷雾高度的增加，液膜高度的峰值不断减小且峰值出现的位置越偏离中心区域，液膜速度在中心区域波动增加；随着雾化夹角的增加，液膜高度的变化规律与喷雾高度的影响一致，但液膜流动速度随雾化夹角的变大而变小；随着喷雾流量的增加，液膜高度的峰值不断增加，但液膜流动速度基本保持不变。
　　(2)以水为工质的喷雾冷却性能实验与研究
　　机载电子设备冷却要求较低的表面温度，一般要求低于75℃。本文主要以水为介质进行了单相区机载喷雾冷却换热性能的实验研究，重点研究了喷嘴雾化特性、喷雾高度、加热功率、进液压力及重力夹角对单相区喷雾冷却特性的影响。研究表明，参与换热的喷雾工质流量是影响喷雾冷却性能的主要因素，流量越大，冷却性能越好。但喷雾流量过大时，对换热性能的提升较为有限，应通过提升喷嘴雾化效果，减少喷雾流量，提高系统经济性；每种型号喷嘴都存在一个最优喷射高度值，使得喷雾冷却的性能达到最优，且这个值略小于临界高度值；当进液温度一定时，单相区的喷雾冷却性能主要受雷诺数Re、韦伯数We及蒸发强度ε的影响，且冷却能力随各自参数的增大而增强；另外随着重力夹角从0°增加至90°，喷雾冷却性能呈现先增大再减小的趋势；重力夹角由90°增加至180°时，呈现同样的趋势。当重力夹角30°和120°时，喷雾冷却性能最优；当重力夹角为180°时，冷却性能达到最低点。
　　(3)不同热沉表面结构对喷雾冷却换热性能影响的实验研究
　　设计了四种典型的热沉表面结构，分别为光滑表面、钻孔表面、槽道表面、钻孔与槽道组合表面，并进行对比实验研究，分析了不同热沉表面结构对喷雾冷却换热性能影响。研究表明，钻孔表面相对其他表面具有较高的传热系数，组合表面相对其他热沉表面具有较高的喷雾冷却效率，槽道表面次之。对于机载喷雾冷却系统，可以通过组合热沉表面获取较低的热沉表面温度及较高的冷却效率，其次推荐槽道表面。
　　(4)添加剂对喷雾冷却换热性能影响的实验研究
　　为了使得机载喷雾冷却系统能够在不同环境温度下正常工作，需对冷却工质进行流体改性下的性能研究。实验中配置了不同质量分数的氯化钾及乙二醇溶液，展开不同添加剂质量浓度对喷雾冷却换热性能影响的实验研究。研究表明，对于盐类添加剂溶液，在低质量分数浓度下，由于盐类电离作用，液体导热系数降幅较大，此时普朗特数对冷却性能的影响为主导，热沉表面传热系数随浓度的增加逐渐增加，其中氯化钾水溶液在质量分数为1％时，热沉表面传热系数达到最大值；当质量分数继续增加时，液体粘度和表面张力逐渐增加，此时雷诺数的影响为主导因素，热沉表面传热系数随浓度的增加逐渐减小。对于乙二醇添加剂溶液，在低质量分数下，由于没有物质电离作用，普朗特数及韦伯数的增加幅度都小于雷诺数的降低幅度，热沉表面传热系数随溶液质量分数的增加而逐渐降低；当质量分数继续增加时，液体粘度增幅变大，此时雷诺数主导因素更为突出，热沉表面传热系数降低幅度更大。
　　(5)喷雾冷却换热无量纲关联式的研究
　　主要展开不同结构热沉表面无量纲关联式的研究。在总结前人工作经验并结合实验结论的基础上，明确了影响喷雾冷却性能的4个无量纲数，且通过编程计算得到各个热沉表面Nu数的无量纲关联式，关联式预测的准确性主要受雷诺数 Re、普朗特数Pr、韦伯数We、蒸发强度ε四个无量纲数的影响，忽略任何一个无量纲数都会降低预测的准确性；另外在此基础上，引入强化系数ξ对钻孔表面的关联式进行修正，并给出强化系数ξ的取值范围及依据，使得钻孔表面Nu数关联式的预测值精度能够控制在±15%内；单独给出了槽道热沉表面的无量纲关联式，该关联式不受槽道结构及数量的影响，且适用于水、盐类及乙二醇类溶液。相比现有无量纲关联式，本文关联式更加方便工程应用，且适用范围更广泛。

目录

声明

注释表

缩略词

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2喷雾冷却研究现状

1.3研究现状总结

1.4本文的研究内容

第2章 喷雾冷却流动特性的数值分析

2.1喷雾腔体几何模型

2.2喷雾腔体几何模型

2.3喷雾腔内流场数学模型

2.4边界条件

2.5结果分析

2.6本章小结

第3章 机载喷雾冷却实验系统设计及介绍

3.1喷雾冷却实验台的设计

3.2加热块一维导热性数值仿真

3.3喷雾工质的选择

3.4实验步骤与方法

3.5数据处理

3.6误差分析

3.7本章小结

第4章 以水为工质的喷雾冷却性能实验与研究

4.1雾化特性及喷雾高度对冷却性能的影响

4.2加热功率对冷却性能的影响

4.3喷雾进液压力对冷却性能的影响

4.4重力夹度对冷却性能的影响

4.5本章小结

第5章 热沉表面结构及添加剂对喷雾冷却性能的影响

5.1热沉表面结构对喷雾冷却性能的影响

5.2工质中添加剂对喷雾冷却性能的影响

5.3本章小结

第6章 喷雾冷却换热无量纲关联式

6.1喷雾冷却无量纲关联式的研究现状

6.2喷雾冷却无量纲关联式的理论分析

6.3光滑热沉表面无量纲关联式

6.4钻孔热沉表面的无量纲关联式

6.5槽道热沉表面的无量纲关联式

6.6本章小结

第7章 结论与展望

7.1本文的研究结论

7.2本文创新点

7.3后续工作及展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文