一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法

摘要

本发明提供了一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法，其特征在于包括：过载加速度的模拟方法；喷雾状态模拟方法；不利高过载导致液膜堆积现象发生的判断方法；不利高过载导致液膜破碎现象发生的判断方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法。

背景技术

喷雾冷却作为一种高效的换热方式，在航空航天领域的大功率电子系统中有十分广阔的应用前景。电子设备在机载环境下将面临不同方向上的过载影响。以飞机为例，机动飞行过程中所受载荷比水平直线稳定飞行时大很多，而且飞机机动性要求越高，所承受的过载也越大。飞机过载系数是指飞机所受除重力之外的外力总和与飞机重量之比，战斗机在俯冲时的过载系数可以达到9～10。机动飞行动作不同则所受的过载力大小和方向也不相同。喷雾液滴撞击热源面后将在壁面上形成一层薄液膜，该液膜对喷雾冷却的换热性能有重要作用。过载力的存在将会引发表面液膜畸变，改变液膜在热源面上的分布和流动形态，进而影响喷雾冷却换热效果。对于过载系数较大的高过载环境，这一作用效果将更为严重，且有可能对换热造成不利影响。因此，针对喷雾冷却应用于航空航天领域的可行性，有必要研究不利高过载对喷雾冷却表面液膜畸变的影响。

目前研究重力因素对喷雾冷却性能的影响多以实验方法为主，常用的方法有两种。一是利用飞机的抛物飞行，结合调整热源面的朝向，为喷雾冷却创造超重和失重环境。二是利用落塔装置实现微重力环境的模拟。两种方法可以获得的实验时间很短，如飞机的抛物飞行实验约为20s，落塔实验只有几秒。相关实验可以直观地反映重力因素对喷雾冷却换热的影响，但由于实验时间很短且实验条件有差异，实验现象观察不充分，结论存在不一致性，不利于非常重力环境下喷雾冷却换热机理的研究。

另一方面，针对喷雾冷却换热机理已开展大量的数值模拟研究，多以单个或有限个液滴撞击壁面或表面液膜的流动过程为研究对象，观察不同初始条件对结果的影响。喷雾冷却是大量液滴源源不断撞击壁面后形成液膜的流动过程，有限个液滴撞击并不能很好反映出热源表面液膜的形成和流动形态。目前较为常用的计算模型为VOF多相流动模型。VOF模型多被用于计算常重力环境下的液滴撞击热源面问题，几乎没有被用于高过载环境。

VOF模型是一种多相流模型，通过求解单一的动量方程和追踪控制体内流体的体积分数来模拟两种或多种互不相融的流体的流动。当在模型中引入新的一相，则会加入该相的体积分数作为新的变量，所有相的体积分数之和为1。若各相的体积分数已知，则所有变量和属性由各相共享且以均值来体现。

质量守恒方程：

体积分数方程：$>\frac{\partial {\alpha }_i}{\partial t}+v_i·▿{\alpha }_i=\frac{S_{{\alpha }_i}}{{\rho }_i}+\frac{1}{{\rho }_{\stackrel{·}{i}}}{\Sigma }_{i=1}^n({\stackrel{·}{m}}_{ij}-{\stackrel{·}{m}}_{ji})$>

$>{\Sigma }_{i=1}^n{\alpha }_i=1$>

物质属性方程：ρ＝∑α_iρ_i

$>\phi =\frac{{\mathrm{\Sigma \alpha }}_k{\rho }_k{\phi }_k}{{\mathrm{\Sigma \alpha }}_k{\rho }_k}$>

动量方程：

其中，为速度，α为体积分数，t为时间，S为质量源项，ρ为密度，m为质量传递，φ为混合属性，P为静态压力，μ为动力粘度，为动力源项。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法，其特征在于包括：提出过载加速度的模拟方法；建立喷雾状态模拟方法；建立不利高过载导致液膜堆积现象发生的判断方法；建立不利高过载导致液膜破碎现象发生的判断方法。

根据本发明的另一个方面，提供了一种高过载环境下液膜畸变的确定方法，其特征在于：

提出过载加速度的模拟方法，在VOF多相流动模型中引入过载加速度，建立过载环境下的VOF计算模型。

建立喷雾状态模拟方法，将喷雾模型简化为多列液滴撞击热源面模型，以三个液滴参数控制工质流量和喷雾疏密程度；

建立不利过载导致液膜堆积现象发生的判断方法，通过对热源壁面节点对应的液膜厚度进行检验，判断液膜堆积现象发生的位置；

建立不利过载导致液膜破碎现象发生的判断方法，通过对热源壁面节点对应的液膜厚度进行检验，判断液膜断裂现象发生的位置。

说明书附图

图1显示了根据本发明的一个实施例的方法的组成步骤。

图2为根据本发明的一个实施例的模型实例。

图3为根据本发明的一个实施例的喷雾状态简化图。

图4为根据本发明的一个实施例的不利过载导致液膜堆积现象发生的判断流程。

具体实施方式

本发明提供了一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法，解决实验条件限制导致的实验时间过短及现象观察不充分等问题，对常重力条件下的VOF模型加以修正，建立过载条件下的计算模型，并以液膜堆积和破碎的判断方法为依据，确定不利过载引发液膜畸变现象发生的位置，研究过载影响。

根据本发明的一个方面，建立了过载条件下的数值计算模型；对喷雾状态进行模拟，其中对喷雾模型进行了简化，以三个液滴参数控制工质流量和喷雾疏密程度；对液膜畸变现象发生进行判断，确定在一定过载条件和喷雾状态下，液膜堆积和破裂现象发生的位置。

图1显示了根据本发明的一个实施例的一种不利高过载诱发的喷雾冷却表面液膜畸变的建模方法，包括：

(1)建立过载环境下的算法模型

以常重力环境下的VOF模型为基础，将参考系建立在水平加速运动的热源面上，引入平移惯性力，建立过载环境下的算法模型。确定计算区域，进行时间及空间上的网格划分，设置边界条件。(图1的步骤101)

(2)对喷雾状态进行模拟

将喷雾模型简化为多列液滴撞击壁面模型。以液滴直径、液滴速度和液滴间距为描述喷雾状态的三个重要参数，控制工质流量和喷雾疏密程度。(图1的步骤102)

(3)判断液膜畸变

根据计算的液膜厚度，判断液膜畸变，确定由不利高过载引发的液膜堆积和破裂现象发生的位置。(图1的步骤103)

下面结合二维实例介绍本发明研究液膜畸变方法的具体实施步骤。如图2所示，计算区域宽度为10mm，高度为5mm，空间步长Δx和Δy均为0.1mm，网格数量为5×10³个。左右两端为压力出口，顶端为压力入口，底部为热源面壁面。边界大气压力为0.1MPa，温度为27℃。空气为主相，液态水为第二相，水的表面张力系数为0.073N/m，水与壁面的静态接触角为90°。

(1)过载环境下算法模型的建立

在地面惯性系中热源面以加速度a₀运动，将坐标系建立在热源壁面上，则确定了一个非惯性系。在此非惯性系中引入惯性加速度a，其大小与a₀相等，方向与a₀相反。据此，液滴撞击以加速度a₀运动的热源面问题，转换为了处于惯性力场a中的液滴撞击固定热源面问题。

过载环境下VOF模型中的动量方程变为如下形式

其中ρ为密度；

μ为动力粘度；

为速度；

t为时间；

P为静态压力；

为重力加速度；

为引入的惯性加速度；

为表面张力产生的动量源相。

(2)模拟喷雾状态

喷雾状态直接影响液膜在表面上的流动形态，与多个参数有关。根据本发明的一个实施例，将喷雾简化为多列液滴撞击热源面问题，对于某一喷雾状态，假设所有液滴直径、液滴间距和液滴速度固定，且液滴撞击热源面时的速度垂直于热源面，如图3所示。其中，喷雾过程中液滴源源不断以一定初始条件撞击热源面。把液滴直径、液滴速度和液滴间距作为描述喷雾状态的三个重要参数，通过三个参数控制热源面上的工质流量和喷雾疏密程度。把单列液滴对应的微小热源面作为研究对象，则可计算该微小热源面上的液滴数流量、体积流量和喷雾疏密系数。

液滴的数流量、体积流量和喷雾疏密系数由下式确定

$>N=\frac{v}{l}$>

$>Q=\frac{{\mathrm{\pi vd}}^3}{6l}$>

$>{\xi }_{\rho }=\frac{l}{d}$>

其中，

d为液滴直径；

v为液滴速度；

l为液滴间距；

N为液滴数流量；

Q为液滴体积流量；

ξ_ρ为喷雾疏密系数。

通过液滴直径、液滴速度和液滴间距三个参数的设置，可计算液滴数流量、体积流量和喷雾疏密系数这三个直接反映喷雾状态的复合参数，进而模拟多种喷雾状态，为不同喷雾状态在高过载环境下对液膜形态的影响研究做铺垫。如在本实例中可取d＝0.5mm，v＝7m/s，l＝1.2mm，则N＝5.83×10³/s，Q＝0.38×10^-6m³/s，ξ_ρ＝2.4。

(3)液膜畸变判断

以建立的过载环境下的算法模型为基础，结合液滴动态模拟设定不同的喷雾形态，对液滴撞击热源面的两相流动过程进行模拟。不利高过载环境下的液膜畸变主要有液膜堆积和液膜破裂，本发明针对两现象提出了对应的判断方法。

1.不利过载导致液膜堆积现象发生的判断(见图4)

(a)根据建立的过载环境下的计算模型，计算得到k时刻各节点的体积分数。根据体积分数获得该时刻壁面节点所对应的液膜厚度

(b)根据k时刻壁面节点的液膜厚度值计算该时刻液膜的平均厚度：

其中k代表时刻，j代表壁面节点，n为节点个数，为j节点在k时刻的液膜厚度，为k时刻液膜平均厚度。

(c)比较k时刻壁面节点的液膜厚度是否满足下列条件：

$>h_j^k>{\bar{h}}^k$>且

$>h_j^k>h_j^{k-1}$>

若满足，则记录节点位置j，继续比较下一个节点j+1，直至搜寻完所有壁面节点n。

(d)重复步骤(a)(b)，若某节点在某时间段(如r＝20s)内一直满足步骤(c)中条件，则判定该点发生液膜堆积现象。

2.不利过载导致液膜断裂现象发生的判断

(a)根据建立的过载环境下的VOF模型，计算得到k时刻各节点的体积分数。根据体积分数获得该时刻壁面节点所对应的液膜厚度

(b)比较k时刻壁面节点的液膜厚度是否满足下列条件：

其中为j节点在k时刻的液膜厚度。

若满足，则记录节点位置j，判定该节点位置发生液膜断裂，继续比较下一节点j+1，直至搜寻完所有壁面节点。

根据以上方法可以找到热源面发生液膜畸变的位置和时刻。

本发明与现有的研究方法相比具有以下优点：

(1)建立了过载加速度的模拟方法，将液滴撞击加速运动的热源面问题，转变为处于惯性力场中的液滴撞击固定热源面问题。对常重力环境下的VOF模型加以修正，建立了过载环境下的计算模型，为不利高过载环境下的液膜畸变研究做好铺垫。

(2)提出喷雾状态模拟方法，将喷雾模型简化为多列液滴源源不断撞击热源面模型。以液滴直径、速度和间距作为描述喷雾状态的三个重要参数，通过三个参数控制喷雾流量和喷雾疏密程度。此方法将克服单个或有限个液滴撞击壁面研究的局限性，在更加长的时间段内观察和研究液膜的流动形态。

(3)本发明提出了不利高过载导致液膜畸变的判断方法，包括液膜堆积和破碎判断，可以更好地估计液膜畸变发生的位置，方便分析过载因素对液膜畸变的影响。