喷雾冷却中重力对两相区换热性能影响的研究

摘要

为了解决航空航天领域中的大功率、高热流密度元件的散热问题，集散热能力强、工质用量少、热表面温度梯度较小及换热表面不存在接触热阻等多种优点于一身的喷雾冷却在众多冷却方法中脱颖而出，发展空间愈加增大。由于航空领域非常规重力条件的需求，所以有必要探究重力对喷雾冷却系统中的换热情况的影响。 由于微重力条件下的实验较难实现，所以大多关于重力对喷雾冷却影响的研究还停留在模拟研究阶段，缺少可靠的实验结果，各研究所得结论也并未达成统一。本文将从此方面进行研究，通过模型分析与模拟和实验两种方式，以水为工质，分别对重力大小和喷雾系统相对重力方向变化的喷雾冷却效果展开研究分析。 首先，从喷雾冷却过程的各个换热状态进行动力学分析，发现重力主要影响的传热过程是发生相变时的气泡传热过程；而后通过fluent软件进行模拟，分别对不同重力大小和方向时的单个气泡模型进行计算分析。研究结果表明：在只改变重力方向的条件下，当重力方向与表面法向夹角垂直时，气泡周围液体在气泡逃逸时会受到更大的切向作用力，产生更大的流动速度，从而增强了换热能力。当不改变重力的方向时，气泡的逃逸过程在一定程度上受到重力大小的影响，重力的减小会增大气泡的临界脱离直径和脱离时间；但当液膜较薄时，重力大小的变化不会影响气泡逃逸的时间，但气泡逃逸瞬间的表面Nu数会随着重力增大而减小。 最后，进行了喷雾系统与重力相对方向变化的喷雾冷却实验。实验结果表明：相对重力方向的变化会对喷雾过程的换热情况产生一定的影响，侧喷时的换热效果要比正、倒喷时更好，在本文的实验工况下最高可达10%。与侧喷相比，正、倒喷时换热效果差异较小，且规律不统一，这可能是由于实验的随机误差所致。由相对重力方向变化所造成的换热强弱的差异，还会随着喷雾压力的增大、喷雾高度的降低和换热面积的减小而减小，但喷雾的喷嘴孔径的变化与喷雾频率的改变不会对实验结果产生影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 喷雾冷却研究概况

1.2.2 喷雾冷却的数值模拟研究

1.2.3重力条件变化的喷雾冷却研究

1.3 本文的主要研究内容

2 喷雾冷却过程中的传热机理分析及其数学模型

2.1 常重力下喷雾冷却的传热机理分析

2.2 表面气泡成核的动力学特性分析

2.3 微重力条件对喷雾冷却过程的影响

2.3.1 重力变化对喷雾的影响

2.3.2 重力变化对液膜的影响

2.3.3 重力条件对气泡成核的影响

2.4 本章小结

3 喷雾冷却过程的数值模拟研究

3.1 模拟研究方法（CLSVOF方法）

3.1.1 Level-Set方法

3.1.2 VOF方法

3.1.3 CLSVOF方法

3.2 模型验证及网格无关性验证

3.3 重力方向变化对气泡脱离过程的影响

3.4 重力大小变化对喷雾过程的影响

3.4.1 气泡生长模型

3.4.2 气泡脱离模型

3.5 本章小结

4 实验系统与方法

4.1 实验系统及实验设备

4.1.1实验系统

4.1.2实验设备

4.2 实验方法

4.3 实验数据处理

4.3.1 连续喷雾的数据处理方法

4.3.2 间歇喷雾的数据处理方法

4.4 本章小结

5 喷雾系统相对重力方向变化的传热特性研究

5.1 连续喷雾冷却的传热特性的影响因素

5.1.1 不同喷雾压力下喷雾相对方向变化的影响

5.1.2 不同喷雾高度下喷雾相对方向变化的影响

5.1.3 不同换热面积下喷雾相对方向变化的影响

5.1.4 喷雾液滴大小不同时喷雾相对方向变化的影响

5.2 间歇喷雾冷却中喷雾相对方向变化对传热特性的影响

5.3 本章小结

结论

参考文献

附录 主要符号的说明

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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