喷雾冷却建模与仿真分析

摘要

本文基于微流体和微传热学的机理，建立喷雾冷却的液膜流动和传热模型，用理论分析与推导的方式，研究喷雾冷却中液膜流动特性和换热特性。 采用分离变量法，从压力相容的角度，结合速度滑移、流场截断等边界条件，求解液膜流动的连续性方程和动量方程，得到流动速度的表达式、压力表达式以及液膜厚度及其边值的求解方程。 基于得到的速度场和压力场，运用分离变量法，结合温度跳变、对称性及进出口温度等边界条件，求解能量方程，得到液膜中温度和局部热流密度的计算表达式，并提出总散热量和平均换热系数的计算表达式。 用水作为冷却剂对液膜流场、温度场和局部热流密度进行仿真，结果表明：喷雾冷却中液膜流场基本合理；液膜厚度为几百个微米，与其他研究者的实验研究结果相近；温度场和局部热流密度也基本合理。

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声明

第一章绪论

1.1喷雾冷却技术需求背景

1.2喷雾冷却技术研究现状

1.2.1喷雾冷却的换热机理

1.2.2喷雾冷却的影响因素

1.3本课题研究意义及主要工作

1.3.1本课题研究意义

1.3.2本文的主要工作

第二章喷雾冷却理论基础

2.1控制方程

2.2区域划分及雾滴分布

2.2.1区域划分

2.2.2喷雾射流区域

2.2.3雾滴速率及尺寸分布

2.2.4冲击液膜流动区域

2.2.5自由液膜流动区域

2.3微流体的速度滑移和温度跳变特性

2.3.1速度滑移特性

2.3.2温度跳变特性

2.4合流超几何微分方程与Sturm-Liouville

2.4.1奇点和合流超几何方程

2.4.2惠泰克(Whittaker)方程和惠泰克函数Mk，m(Z)

2.4.3合流超几何微分方程

2.5黎卡提方程

2.6本章小结

第三章喷雾冷却液膜流动特性分析

3.1射流冲击薄膜流动的假定及其分离变量解

3.1.1微分方程组的分离变量解法

3.1.2 Z的分离变量解

3.1.3 R的分离变量解

3.1.4压力求解的相容性

3.2流场边界条件及薄膜厚度

3.2.1固体壁面法向速度和切向速度的边界条件

3.2.2流固界面与出口雾液界面的切向速度滑移边界条件

3.2.3流场截断边界条件

3.2.4速度场连续性的积分形式

3.2.5冲击动量与边界薄膜厚度求解方程

3.2.6薄膜厚度的求解方程

3.3本章小结

第四章喷雾冷却微传热学特性分析

4.1能量方程的分离变量解

4.1.1 Rt的分离变量解

4.1.2 Zt的分离变量解

4.2简化能量方程的分离变量解

4.3热场边界条件

4.3.1固、液温度跳变边界条件

4.3.2入口温度边界条件

4.3.3特征值求解问题

4.3.4出口温度边界条件

4.3.5初始温度分布尝试解

4.4温度场求解

4.5局部热流密度与换热系数

4.5.1局部热流密度

4.5.2全局换热系数

4.5本章小结

第五章仿真与分析

5.1特征值的求解

5.1.1特征函数与特征值

5.1.2颈缩位置与特征值关系

5.2液膜流动特性仿真

5.2.1等速度分布

5.2.2 ∪型速度分布

5.2.3 ∩型速度分布

5.3液膜传热特性仿真

5.4仿真结果分析

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

作者在读期间研究成果

附录