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中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143146 喷雾参数对闪蒸冷却换热效果影响的数值研究 陈华，程文龙，章玮玮 (中国科学技术大学热科学和能源工程系, 安徽 合肥 230027) (Tel：0551-3600305, Email：) 摘要：真空闪蒸冷却是利用液体工质在真空环境下迅速闪蒸吸热的特点来冷却加热表面的新型冷却方式，其充分利用工质潜热，散热能力强，在航天热控方面有广阔的应用前景。本文。冷却是一个影响因素众多的过程由于其换热机理十分复杂目前研究还很不成熟。Qflash）、沸腾换热(Qbub)、以及系统向环境的散热(Qenvi)。因此，描述喷雾冷却系统中换热的控制方程如下： (1) 式中，Qin为发热面的总散热量。 图1 真空闪蒸冷却换热过程 Fig.1 heat transfer?process of vacuum flash cooling 1.1 液膜表面闪蒸换热模型 闪蒸冷却有两种闪蒸机制：液滴的闪蒸和液膜的闪蒸。由于液滴飞行速度很高，可达10m/s以上，且文献[11]中发现液滴闪蒸在很短的距离内对喷雾特性影响不大，因此本文忽略液滴闪蒸，只对液膜闪蒸模型进行分析。液膜闪蒸换热量可以表示为： (2) 式中，为液体的汽化潜热，为闪蒸质量流量，单位为。闪蒸质量流量可以用文献[12]中提出的界面传质方程来计算.闪蒸汽液界面传质方程如下： (3) 式中，为饱和蒸汽密度，下标l和s分别表示液体和界面，D为传质系数，在真空中，。 1.2 液滴击打表面换热模型 液滴击打表面的换热可以分为两部分，一部分是液滴穿过液膜时与液膜的换热，另一部分是液滴与表面接触时的换热。液滴和液膜的换热可以表示为： (4) 其中，Adrop 是液滴表面积，Nudrop 是液滴与液膜换热的努舍尔数。 对单个液滴而言，液滴击打表面过程中的换热量可以用一个换热效果因子表示，该换热效果因子表示实际换热量和理论最大换热量之间的比值，其定义如下： (5) 1.3 液膜冲刷表面换热模型 一部分液滴在击打表面后，破碎成为更小的颗粒留在表面上。这部分微小的液体颗粒汇聚在一起，形成了表面上的液膜。描述液膜运动的质量守恒方程和动量方程如下： (6) 联立以上方程可以求出液膜的厚度和速度分布，液膜冲刷表面换热量可以通过经验关系式表示： (7) 其中，Nufilm 是液膜的努舍尔数。 1.4 沸腾气泡换热模型 沸腾气泡换热可以分为表面成核气泡和二次成核气泡。在表面过热的情况下，加热表面上会出现一些气泡成核点，成核点吸收热量，形成表面成核气泡。 根据Basu 等人[13]的实验结果，过热表面的成核点数量可以表示为： (8) 二次成核气泡的成核中心是液滴通过液膜时留下的微小气泡。单个液滴携带的成核中心数量由液滴体积、液滴速度和粘性系数等参数决定。单个二次成核气泡的换热模型与上述表面成核气泡类似。为简化模型，本文使用高斯分布函数，在1~15之间随机选择一个自然数，作为液滴所携带的成核中心数量。 气泡在液膜中的换热量如下： (9) 1.5 系统向环境散热模型 在真空中，系统只能通过辐射向环境散热。辐射换热量为： (10) 其中， Aw是加热表面的面积，Tw和Tenvi.分别是表面和环境的温度。 2数值模拟过程 本文使用离散时间步，在加热表面划分网格，对闪蒸冷却中的换热量和表面温度分布进行稳态模拟。输入参数为喷雾液滴特性，由激光多普勒测速仪（PDA）测得。在每个时间步的开始，计算液膜厚度，液膜速度、液膜冲刷表面换热量，以及液膜闪蒸换热量；之后，根据公式（4-10）计算液滴击打表面换热量、表面沸腾换热量和环境换热量。以上各换热量之和为总换热量，当总换热量与表面加热功率平衡后，就得到稳态表面温度分布。 3闪蒸冷却数值结果及分析 3.1 加热表面温度分布 加热表面的温度分布是闪蒸冷却散热效果最直观的体现。为此，下文将详细分析加热表面的温度分布。图2、3、4分别为不同喷雾压力、不同喷雾高度和不同喷雾张角下的表面温度分布结果。从图中看出，温度分布存在不均匀性，这是由喷雾的不均匀性造成的[14]。 由图2可知，喷雾压力越大，表面平均温度越低