高温部件喷雾冷却试验研究(4)
许多研究人员都通过临界热流密度的大小判断系统换热性能。Mudawar 等人以碳氟类工质为实验对象，研究喷雾冷却的临界热流密度，发现临界热流密度随喷雾高度的增大而增大，可达到90W/cm²，并得到了喷雾冷却临界热流密度的拟合关联式。
Chen和Chow[5]等人发现液滴的平均速度对临界热流的影响最大，其次是喷雾密度，而平均液滴直径几乎没有什么影响。
1.2.3 喷雾冷却模型研究
由于喷雾换热机理的复杂性，国内外研究人员对喷雾冷却的模拟研究方法和结论也不尽相同。
Pautsch[20]基于动力学原理，针对自行设计的喷嘴，建立了喷雾冷却中液膜分布的数学模型，在未考虑膜态沸腾的情况下得到了不同喷雾高度下液膜厚度和液膜速度的分布。
Tan S.W. [21]等人针对液膜内的二次成核现象，对喷雾冷却进行了数值模拟研究，也计算了喷雾冷却过程中的换热量。结果发现，二次成核点数目增加可以使喷雾冷却的换热能力增强，但当成核点到达一定数量时，换热能力达到峰值。
Issa[22]等通过考虑液滴撞击表面后反弹和液滴与过热表面接触时蒸发相变这两种因素，建立了液滴击打表面的动力学和传热学模型。
Francois[23]模拟了单个液滴撞击恒温表面的换热情况和液滴形状变化情况。结果表明在液滴撞击发热面的接触线处，液滴有反弹的特征。
卢秋敏[24]等人通过研究冷却表面的液膜，建立了加热面、液膜、液滴之间的能量方程式，给出了换热系数与避免温度沿径向的分布。
1.2.4 喷雾冷却影响因素研究
喷雾冷却的影响因素是错综复杂的，一般归纳起来主要分为以下几类（表1）。目前，关于喷雾冷却影响的研究主要集中于冷却剂性质、喷嘴倾斜角度、喷嘴与热源的距离、热源面积及表面特性、喷雾速率、液滴直径这些方面。
表1 喷雾冷却主要影响因素
喷雾特性 介质物性 被冷却面特性 环境因素
液滴粒径大小分布 表面张力 热导率 重力影响
液滴密度 汽化潜热 换热面积 环境气体物性
流量通量 过冷度 粗糙度
喷射速度 比热容 表面形貌
喷射角度、高度 添加粒子
1.2.4.1 冷却剂
冷却剂的属性对整个系统的换热效果有重要影响。
马重芳等先后采用lO种不同无形的工质，包括水、R113、FC-72、煤油、乙烯乙二醇和空气等，对影响射流传热的诸多因素进行了试验分析，得出流体工质的普朗特数Pr和雷诺数如对射流传热有非常重要的影响并做出了验证。
Lin等[25]本实验设计了临界热流密度CHF的测量和多喷嘴喷雾冷却的热工性能测试装置 。他们以FC-87的FC-72，甲醇和水作为工作流体，在不同的工作温度、喷嘴压力（从0.69至3.10bar）和热流密度下，得到封闭系统中的多喷嘴喷雾冷却的热性能数据。实验中发现，FC-87的临界热流密度CHF可以达到90 w/cm2，甲醇的临界热流密度CHF可以达到490 w/cm2，水的临界热流密度CHF可以大于500 w/cm2。
低沸点的液体可以在较低的表面过热度下实现沸腾，进行相变换热；与热源表面材料湿润性好的冷却剂可以很容易在其表面铺展开形成一层薄液膜，从而增强换热。比热容较大的冷却剂需要较少的量就可以满足高热流密度散热的需求。 一般冷却实验中使用的冷却剂为水，因为散热效果好，并且容易获得。
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