高温部件喷雾冷却试验研究(2)
Keywords Spray Cooling Influencing Factors Inclination Spray Infrared shadowing
目 次
1 绪论 •1
1.1 喷雾冷却的研究背景 1
1.2 喷雾冷却的研究进展 •1
1.3 课题研究的主要内容 ••8
2 喷雾冷却实验系统 ••8
2.1 喷雾冷却试验系统结构 •8
2.2 供液和喷雾系统 ••10
2.3 模拟热源 •11
2.4 数据采集系统•12
2.5 小结 ••14
3 喷雾冷却实验步骤和工况 14
3.1 实验步骤和热电偶测温的工况 •14
3.2 红外热像仪分析的工况 ••19
3.3 小结 21
4 喷雾冷却实验分析 • 21
4.1 热电偶测温数据分析 21
4.2 红外热像分析 •30
4.3 小结 35
结论 •38
致谢 • 40
参考文献 41
1 绪论
1.1 喷雾冷却的研究背景
喷雾冷却是借助高压气体或依赖液体本身的压力通过喷嘴将液体雾化为微液滴群，喷射到加热面，依靠射流冲击、强对流以及液滴相变等带走大量热量，实现壁面冷却，是一种极具发展潜力的高效强热流冷却方式。
喷雾冷却技术首先在冶金、机械加工、能源、化工等领域有一定应用，如：在金属切割加工时，利用喷雾冷却技术冷却加工表面，从而显著提高加工生产效率和零部件加工质量；对燃气轮机采用喷雾冷却技术降低进气温度，提高燃气轮机效率；在锻造钢铁时，采用控制喷雾参数来控制冷却的温度分布，从而保证钢铁的韧性、硬度等参数；喷雾冷却技术也可以应用于冷却塔循环水系统。
随着红外成像探测技术和现代反侦察技术的发展，通过喷雾冷却进行水雾隐身技术也得到广泛的关注和重视。通过水雾对高温表面进行喷雾冷却和喷雾遮蔽，可以使高温部件达到较好的红外隐身。
1.2 喷雾冷却的研究进展
喷雾冷却的传热机理较为复杂，喷雾冷却实验研究涉及到两相流的传热传质，其影响参数众多。目前国内外研究人员主要使用实验方法和数值模方法来研究喷雾冷却。国内外研究方向主要为：喷雾冷却换热机理研究、临界热流密度研究、喷雾冷却模型研究和喷雾冷却影响因素的研究。
1.2.1 喷雾冷却换热机理研究
目前，关于喷雾冷却换热机理的研究主要是采用实验方法。喷雾冷却工作在单相区域时，主要换热方式是液膜内部的微对流换热，换热能力较低；喷雾冷却进入两相区，其换热能力迅速提高，直到达到临界热流密度[4]。
1.2.1.1 无沸腾区换热
一般认为，无沸腾区（单相区）包括强制对流和液膜蒸发两个阶段。液体喷淋到被冷却表面形成一层液膜，由于喷淋液体的持续冲击，液膜不断冲刷表面，使得换热增强，同时伴随液膜蒸发换热。此区内热流密度与壁面温度大致成线性关系，此时强迫对流换热占主要地位。
无沸腾区换热，作为喷雾冷却的重要组成部分，Chen[5]研究认为无沸腾换热带走的热流占据整个喷雾冷却热流的35％-55％。
K．Oliphant和B．W．Webb[6]等人将液体喷射冷却方式与喷雾冲击冷却方式在无沸腾区的性能做了实验比较。结果发现，当获得相同的换热效率时，喷雾冷却方式所用介质流量要小得多。不稳定的边界层和蒸发冷却使得喷雾冷却方式在无沸腾的换热性能更强。
Nitin Karwa和Sunil R．Kale[7]等人采用水平加热表面和冷却介质水，对无沸腾区的换热性能做了实验研究，并得到关于Nusseh数和Reynolds数的经验关联式。实验表明，无沸腾区的换热效率要大大高于强迫对流的换热效率值。
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