高温部件喷雾冷却试验研究(3)
时间:2017-06-28 21:13 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
国内的陈东芳、谢宁宁等人[8]对毛细微槽结构表面的无沸腾喷雾冷却进行了可视化研究。实验利用高速摄影仪对家热表面的喷雾冷却特性进行了研究，结果表明，随着壁面温度的增加，槽表面换热过程分为槽面完全被水浸没区、薄液膜区、部分干涸区和完全干涸区等四个区；低温区的传热方式主要为界面蒸发传热。 雷树业[9]等人在无沸腾区采用薄膜电阻加热器研究了喷嘴进口压力、喷嘴类型、喷嘴高度对换热系数的影响，并着重就喷嘴高度、喷雾流量对换热系数的影响做了研究。研究结果表明，无沸腾状态下的热表面温度分布基本均匀；当喷嘴压力提高，即喷雾流量增大时，无沸腾区换热系数也随之增大。 1.2.1.2 沸腾区换热 一般认为，在两相区域，喷雾冷却过程包括以下几种传热机制：液膜表面蒸发和对流换热、液膜内的沸腾换热、以及表面和环境之间的换热。但是这几种传热方式的重要程度尚不明确 在表面过热时，液膜中出现沸腾气泡。其中沸腾气泡包括表面成核气泡（气泡的成核中心出现在表面上）和二次成核气泡（由冲击液滴带入的蒸汽泡）。 Grissom[10]等人将喷雾冷却过程分为三个不同的模式：干壁（dry-wall）模式，液膜覆盖（flood）模式，莱式（leidenfrost）模式。 Jia与Qiu[11]在此基础上进行了多喷嘴实验，提出喷雾换热过程分为四个阶段：对流冷却段，水膜沸腾段、珠状碰撞冷却段及临界热流密度段。研究还发现多喷嘴尽管可以改善发热壁面的温度非均匀性，但发热面径向仍然存在温度梯度。 Rini和Chen[12]等人利用高速摄像机对喷雾冷却的成核密度以及气泡的生命周期进行了研究，发现喷雾冷却的成核密度要远远大于池内沸腾的成核密度，并且喷雾冷却中气泡存在的生命周期比池内沸腾小一个数量级左右，认为这可能与液滴冲击加热表面所造成的二次成核有关。因此证实喷雾冷却的换热机理与表面成核的核态沸腾、二次成核、对流换热以及液膜表面直接蒸发等因素有关。当气泡成核点的密度为约为1000-4044/cm2，气泡直径为174-282μm 时，喷雾冷却沸腾换热中38%-49%的换热是由表面沸腾换热造成，其余散热主要是由于二次成核造成的。 Tan[13]用数值模拟的方法对成核气泡的行为及其对换热造成的影响进行了分析。结果发现：二次成核的存在造就了喷雾冷却的高性能。 Hsieh [14]等人认为液膜的蒸发散热是喷雾冷却换热性能高的主要原因。而Kim、LIN和Fabbri等人认为气、液、固之间的对流才是主要的传热方式，液膜蒸发散去的热量只占很少一部分。尽管众说纷纭，但都认为液膜越薄，系统的换热性能越好。 国内的赵锐、程文龙[15]建立了喷雾冷却的数学模型，并建立了喷雾冷却实验系统，计算不同表面加热功率下的换热量，结果表明：小加热功率时，热量主要通过液膜流动和液滴击打表面的方式带走；随着加热功率的增大，壁面上出现沸腾气泡，壁面成核和二次成核逐渐成为主要的换热方式。壁面温度随着加热功率的增大而增大。 1.2.2 临界热流密度研究 核态沸腾的终点对应的热流密度为临界热流密度，它是喷雾冷却换热的重要参数。 Tilton[16-17]给出了临界热流密度的产生机理，认为喷雾冷却过程CHF 的出现主要是由于液滴在喷射过程中被气流带走、飞溅以及被核态气泡排挤所导致， 来流不足导致表面干涸，从而产生临界热流密度。 关于临界热流密度的触发模型主要有[18-19]：(1)Boundary layer separation模型(由于气体在加热表面上不断产生，导致近壁面液体速度梯度减小，并进而使得液体从壁面上分离)；(2)Bubble crowding模型(当流体中的湍流脉动微小到不足以使液体通过气泡时，将发生临界热流)；(3)Sublayer dry-out模型(沸腾时，在加热表面有个由聚合气泡形成的底层，一旦加热壁面所提供的热流超过补充底层的液体的焓值时，沸腾就达到临界热流状态)；和(4)Interfacial lift-off模型(该模型从波动理论出发，认为聚合的气泡长度应小于helmholtz波长，否则，将会出现不稳定性，气泡将破裂成小气泡)。 (责任编辑：qin) |