多喷嘴喷雾冷却实验研究与数值模拟

【摘要】随着各行业对冷却技术要求的不断提高,喷雾冷却应运而生。在过去30多年的研究中,国内外学者将大量精力放在单喷嘴喷雾冷却影响因素的实验研究上。近几年,由于多喷嘴喷雾冷却散热更均匀,散热热流密度更高,围绕多喷嘴的实验研究逐渐增加。已有的关于多喷嘴喷雾冷却的研究,以喷嘴数目和喷射参数对雾化特性和换热效果影响的实验研究居多,对多喷嘴喷雾冷却过程中液滴喷射与壁面换热相结合的整体理论研究较少,对喷雾冷却强化换热机理的认识不明确。为此,本文以多喷嘴喷雾冷却为研究对象,首先采用商业软件对液滴喷射和壁面换热整体过程进行了整体数值模拟,系统研究了不同喷嘴数目和工况下的雾化特性和壁面换热效果,得到了壁面过热度、进口压力、进口流量、喷嘴高度、喷嘴数目等对壁面散热热流密度大小和分布的影响规律；揭示了不同工况下多喷嘴喷雾冷却雾化特性,为多喷嘴喷雾冷却优化设计和强化换热机理的研究提供了可靠数据。模拟结果表明最优喷射高度为喷雾直接冲击区与被加热表面外切时对应的值,随着喷嘴数目的增加,壁面平均热流密度增加,然而增加幅度减小。模拟工况下,最优喷嘴数目为8。喷雾冷却过程中会在壁面上形成一层薄液膜层,薄液膜内复杂流动和换热过程直接影响了最终换热效果。为了对多喷嘴喷雾冷却壁面薄液膜内的复杂流动和换热过程进行详细研究,本文采用高速摄影仪和显微放大镜相结合,系统拍摄观察了多喷嘴喷雾冷却热壁面液膜层的形成和流动,利用图片灰度值矩阵定量分析了不同工况下液膜形成过程、液膜厚度和波动特性,分析了单个气泡周期内气泡形变对当地液膜厚度的影响。实验结果表明随着韦伯数的增加,无量纲平均液膜厚度总体上呈现减小的趋势,薄液膜表面波长和波幅也呈减小的趋势。随着表面温度的增加,无量纲液膜厚度先迅速增加,然后缓慢变化,最后又呈增加的趋势,壁面薄液膜表面波长和波幅随壁面温度的增加没有明显的变化。气泡生长和上升过程的当地液膜厚度比气泡形成和聚集过程更厚。首次发现不同壁面温度下,薄液膜形成过程中当地液膜厚度的平均值存在峰值点。同时本文还采用数值方法研究了薄液膜内的流场和温度场分布,建立了气液两相流数学模型,采用VOF方法捕捉气-液界面,研究了不同液滴初始状态下薄液膜内气泡的形变过程和流动换热特点,分析了连续过冷液滴非正对撞击薄液膜强化换热机理和液滴各参数对气泡形变的影响规律,得到了不同情况下薄液膜内热边界层和气泡的变化规律。结果表明过冷液滴的撞击使壁面附近温差变大,壁面上薄液膜厚度和热边界层大大减小从而强化了对流换热；同时液滴的非正对连续撞击使气泡提前脱离壁面,减小了壁面干烧面积,强化了换热。另外,学者们并不满足于多喷嘴喷雾冷却目前的散热能力,正在寻求有效的方法强化换热能力。将壁面微结构和多喷嘴喷雾冷却相结合就是一种新方法。本文实验研究了多种尺寸和形状的微结构表面下,多喷嘴喷雾冷却换热效果和壁面温度分布均匀性,得到了不同工况下各微结构表面的换热特性曲线、壁面换热系数和温度分布,并与平板固体壁面实验结果进行了对比,揭示微结构表面强化换热的机理,在此基础上提出了表征微结构表面强化换热的无量纲数。
【作者】侯燕；
【导师】淮秀兰；陶毓伽；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），工程热物理，2014，博士
【关键词】多喷嘴；喷嘴数目；可视化观测；气液两相流；微结构表面；

【参考文献】
[1]邵燕.幂零类为2且导群阶为4的FNS群[D].山西师范大学,基础数学,2013,硕士.
[2]吴攀峰.六自由度工业机器人的NURBS曲线插补算法的研究[D].浙江工业大学,2013.
[3]梁长秀.家庭医生服务责任制下社区糖尿病互动式管理模式探索[D].苏州大学,临床医学,2013,硕士.
[4]李慧凤.电针刺激蝶腭神经节联合阿托品肌注对慢性鼻炎鼻塞症状的疗效观察[D].福建医科大学,耳鼻咽喉科学,2014,硕士.
[5]张殿成,陈秀娟,陈淑梅.高分辨率地震资料解释方法探讨[J].石油地球物理勘探,1997,S2:73-82+189.
[6]鲍南月.大庆油田自主创新能力评价与提升对策[D].东北石油大学,企业管理,2013,硕士.
[7]永莲.基于高中生地理思维能力培养的案例教学设计与实践研究[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[8]夏天.长链非编码RNA以竞争性内源RNA角色调控胃癌发生的机制研究[D].宁波大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[9]黄琰.央视国际频道汉译英字幕翻译实践报告[D].北京交通大学,英语翻译（专业学位）,2013,硕士.
[10]伍永梅.基于金属纳米材料构建高灵敏的电化学生物传感器的研究[D].西南大学,2014.
[11]魏静.应用数据仓库技术加快金融现代化[J].华夏星火,2002,12:63-64.
[12]李建委1,孙荣玲2,翟博文3,梁川4.基于自由能的工程量清单计价下的工程报价系统祸合度评价[J].河南理工大学学报(自然科学版),2014,04:117-122.
[13]阳锋.基于主题模型的情感搜索引擎的研究与实现[D].东北大学,计算机系统结构,2011,硕士.
[14]邓雪震,韩新君.论中国职业体育俱乐部的法律治理及其核心理念与建构[J].西安体育学院学报,2014,06:.
[15]刘芳华.基于混杂系统理论的电力系统分布式连通控制[D].中原工学院,控制理论与控制工程,2012,硕士.
[16]朱丽萍.格式塔理论角度看《生活大爆炸》中幽默翻译[D].福建师范大学,英语笔译（专业学位）,2012,硕士.
[17]叶巍.余姚地区新建农村空间形态研究[D].西安建筑科技大学,建筑学（专业学位）,2013,硕士.
[18]李舟.“预处理-UASB-A/O-BAF”组合工艺处理大豆蛋白废水的研究[D].山东大学,环境工程,2014,博士.
[19]黄钢石,陆建江,张亚非.基于NMF的文本聚类方法[J].计算机工程,2004,11:113-114+176.
[20]徐兴标.数字媒体技术交互性对电影叙事机制影响及观众身份转变研究[D].重庆大学,戏剧与影视学,2014,硕士.
[21]黄清芬.搜索引擎的用户跟踪功能分析[J].情报杂志,2004,03:61-63.
[22]王艳芳.hMOF蛋白在直肠癌中的表达及意义[D].吉林大学,病理学与病理生理学,2013,硕士.
[23]孙伟.考虑变压器分接头动作次数限制的综合无功优化[D].天津大学,电力系统及其自动化,2004,硕士.
[24]马莉娜.电去离子过程中离子交换树脂选用研究[D].广东工业大学,环境工程,2013,硕士.
[25]陈骞,郑琼林,李艳,邵天骢.漏感对非隔离高效推挽变换器的影响[J].电工技术学报,2014,04:46-53.
[26]李娜.转Bt基因棉压力下靶标害虫及其天敌的波动性不对称[D].南京农业大学,农业昆虫与害虫防治,2004,硕士.
[27]葛春燕.河北省城镇居民住房保障水平研究[D].河北大学,国民经济学,2014,硕士.
[28]阎观印.企业价值评估操作程序研究[D].河北农业大学,农业经济管理,2004,硕士.
[29]陈润泽,吴文传,孙宏斌,蓝海波,刘海涛,刘晓敏.双馈风电机组惯量控制对系统小干扰稳定的影响[J].电力系统自动化,2014,23:6-12.
[30]曹镔.郑州市“醉驾入刑”的执行现状分析及对策研究[D].郑州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[31]邓宁.面向制造业的PDM系统中消息通信机制的应用研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[32]苑琳琳.城乡统筹视角下的盘锦地区社会经济发展问题研究[D].吉林大学,农业推广,2012,硕士.
[33]张浩.楼宇定位与跟随系统设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[34]胡忠武.高校本科专业培养计划编制管理系统设计与实现[D].东北大学,计算机应用技术,2010,硕士.
[35]王文斌.构建公安行政复议简易程序的研究[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[36]殷泽文.“铁老大”的终结[D].安徽大学,新闻学,2014,硕士.
[37]邱雅.论房地产法体系的重构[D].华中师范大学,经济法学,2014,硕士.
[38]桑琮辉.危险品物流虚拟企业SWOT分析及优化[D].西南交通大学,安全技术及工程,2012,硕士.
[39]吴媛媛.人工纳米材料分散及与活性污泥间抑制和吸附特性的研究[D].清华大学,环境科学与工程,2013,硕士.
[40]朱光祥.山东大学外国语学院国际交流与合理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[41]郭华章,殷缨,王文亮,蔡宏伟,王哲,闫庆国,樊荣,高东怀,杨安钢,李青,金伯泉.建立基于公开软件的校园生物信息学平台[J].第四军医大学学报,2004,08:765-768.
[42]李刚.正渗透膜的制备与应用[D].中国海洋大学,海洋化学工程与技术,2014,博士.
[43]林旭.全国统一考试结果的分析与利用[D].浙江工业大学,2003.
[44]陈雪波,李树生.多变量系统稳定性分析[J].自动化学报,1987,05:388-392.
[45]胡函文.1,2-二氯乙烷中毒性脑病高压氧治疗研究及神经心理评估[D].广州医科大学,神经病学（专业学位）,2014,硕士.
[46]田高成.面向高校实验室的虚拟化计算资源优化模型研究[D].山东财经大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[47]赵洪雁.大秦线万吨列车对轨道的动态影响分析及对策建议[J].中国铁路.2004(09)
[48]柏元忠.双处理器SVC控制器设计及其10kV并网控制[D].东北大学,电力电子与电力传动,2010,硕士.
[49]范莉苹.青藏高原东缘壳幔速度结构研究[D].中国地震局地球物理研究所,固体地球物理,2014,博士.
[50]李文康.西方意识形态终结论思潮批判考察[D].首都师范大学,马克思主义哲学,2013,硕士.