噴霧衝擊條件下液膜流動與傳熱模型

最新 07-03

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171067

文章來源：《化工學報》2018年第69卷

第5期：2014-2022

噴霧衝擊條件下液膜流動與傳熱模型

亓航，張偉，鞏亮

（中國石油大學儲運與建築工程學院，山東青島 266580）

「

摘要

針對現有噴霧冷卻計算模型的不足，以質量、動量、能量守恆方程為基礎，建立噴霧冷卻非沸騰區的液膜流動與傳熱方程，並採用數量級分析的方法對方程簡化，最後運用數值方法對模型進行求解。給定液滴速度及液體溫度，由模型計算液膜厚度、平均熱通量與液體流出溫度，與實驗測試結果對照。結果顯示，液膜厚度的計算結果與實驗結果相差6%以內；平均熱通量和液體離開待冷卻表面的最終溫度計算結果與實驗結果相差10%以內，且超過60%的計算結果偏差小於5%。計算結果與實驗結果的高度匹配證明該模型可較好地反映噴霧冷卻過程的流動與換熱。由模型可以獲取不同位置處液膜厚度與溫度，從而加深對噴霧冷卻傳熱機理的理解。

」

引言

噴霧可以顯著增加液體的比表面積，強化傳質傳熱過程，廣泛應用於化工（燃燒、氣化、熱處理等）、農業、消防、航天等領域。在電子器件等高功率設備冷卻方面，噴霧冷卻也以其良好的熱均勻性、高冷卻液利用率、無沸騰滯後性及接觸熱阻等優勢被關注。目前，對噴霧冷卻進行的實驗研究較多，如對液滴粒徑、液滴速度、噴射角度、噴射高度、表面結構等各參數條件下傳熱特性的研究。

查閱已有文獻發現，在噴霧衝擊模型方面的研究中，張震分別採用靜態接觸角、實驗動態接觸角、Kistler模型和Blake模型4種方法來處理接觸角，對單個微米液滴衝擊待冷卻表面下的流動情況進行模擬，結果表明Blake模型的計算結果與實驗結果的吻合度最佳；並且證明了小液滴的反彈相比大液滴不劇烈。Xie等以液膜流動的基本方程與噴霧冷卻傳熱的經驗關係式為基礎，對噴霧冷卻的流動換熱進行了計算模擬，其關於液膜流動的計算結果與實驗結果相差10%以內，關於液膜傳熱的計算結果在噴霧高度低於7 mm時吻合較好，但當噴射高度為9 mm時兩者的差距高達23.19%。穆文樂採用商業軟體FLUENT，以基於拉格朗日方法的離散項模型對大流量、內混式空氣助力噴嘴的噴霧特性進行了數值計算。通過比較發現，選用不同的噴嘴模型和液體碎裂模型對模擬結果影響很大，且在計算過程中的欠鬆弛因子和離散格式等參數的設置依賴於計算經驗。趙銳對噴霧冷卻的傳熱現象進行了分析，基於液滴擊打表面、液膜沖刷表面、表面成核及二次成核等模型的半經驗公式對噴霧冷卻進行描述。其模型的計算結果與實驗測試結果有相同趨勢，差值基本在15%左右，當表面溫度超過75℃時，兩個結果的差值達30%。

現存的噴霧冷卻計算模擬工作主要集中於以實驗關聯式為基礎，或以商業軟體為基礎對噴霧冷卻進行的模擬，未見基於基本的流動、傳熱理論以及結合噴霧衝擊進行的建模研究。基於此，本文結合現有研究成果，從動量、能量守恆基本方程出發，建立噴霧衝擊條件下的液膜流動傳熱模型，對噴霧冷卻進行模擬分析，以期更深入地理解噴霧冷卻的流動與傳熱機理。

結論

本文基於質量、動量、熱量守恆方程對噴霧冷卻非沸騰區的流動與傳熱進行建模，利用數量級分析對模型進行簡化，採用數值方法計算液膜厚度、平均熱通量和液膜最終溫度，所得結果與實驗測試結果對照，經分析得到以下結論。

（1）液膜厚度計算結果與實驗結果相差6%以內；平均熱通量與液膜最終溫度的計算結果與實驗結果均相差10%以內，表明該模型可以較準確地反映噴霧冷卻的流動與傳熱特性。

（2）沿r方向液膜厚度計算結果先減小後增大，與實驗結果有相同趨勢；在噴嘴口徑相同流量不同的情況下，衝擊越強液膜厚度越小，傳熱得到加強，表現為冷卻過程平均熱通量變大，與實驗結果吻合。

（3）該模型計算結果顯示，在不同位置處，液膜厚度變化導致了液膜溫度的差異，液膜最薄處溫度最高，特別當表面溫度較高時，容易出現液膜蒸發現象。

（4）該模型以流動與傳熱的基本方程為基礎，不依賴實驗所得的經驗關聯式，即可計算得噴霧冷卻過程中的液膜厚度、液膜溫度、平均熱通量等較難測定的參數，對噴霧冷卻的進一步研究提供參考。

（5）在待冷卻表面溫度較高時，液膜蒸發佔比較大，平均熱通量計算結果比實驗結果偏低；且在噴嘴口徑為0.4 mm左右時，由於噴霧產生的液滴粒徑增大，液滴衝擊的飛濺作用不能忽視；在今後的研究中可以對液體飛濺和液膜蒸發進行修正進而擴大該模型的適用範圍。

1 模型建立

1.1 模型假設