真空闪蒸冷却的传热机理及热控准则关系研究

Flash evaporation is a physical phenomenon which has been widely used. Because of its advantages such as good heat dissipation potential, few working medium needed, and light weight, vacuum flash evaporation cooling is an advanced thermal control technology which is being developed in spaceflight field. Pointing at spray drops' flash evaporation and liquid film's flash evaporation which exist in vacuum flash evaporation cooling, the project conducts a study on their heat transfer characteristics and heat transfer rules by experiment and theory. By means of conducting an experimental research on spray drops' flash evaporation, we analyze the effect of spray's initial parameters and drops' stroke on spray's characteristics, and obtain the related criterion's relational expression. By conducting an experimental research on the whole vacuum flash evaporation cooling, we obtain the criterion's relational expression on vacuum flash evaporation cooling's characteristics. Then, we found the theoretical models on spray drops' flash evaporation and liquid film's flash evaporation respectively. Based on this, we systematically analyze the heat transfer mechanism of vacuum flash evaporation cooling. Based on the research mentioned above, and according to the fact that the thermal control system has strict requirements on weight, correlations between heat dissipation and the minimum flow rate in the process of vacuum flash evaporation cooling is obtained. The expected research result of this project would not only lay experimental and theoretical foundation for the application of vacuum flash evaporation cooling into aerocraft thermal control system, but also would provide references to flash evaporation research and application in other fields.

闪蒸是得到广泛应用的一种物理现象。真空闪蒸冷却由于其散热能力强、所需工质少、重量轻等优点，是航天领域正在发展的一种先进热控技术。针对真空闪蒸冷却中存在的喷雾液滴闪蒸和液膜闪蒸两个过程，本项目从实验和理论两个方面对其传热特性和传热准则展开研究：通过对喷雾液滴闪蒸的实验研究，分析喷雾初始参数及液滴行程对喷雾特性的影响，并得出相关的准则关系式；通过对整个真空闪蒸冷却的实验研究，得出真空闪蒸冷却传热特性的准则关系式；分别建立喷雾液滴闪蒸和液膜闪蒸的理论模型，并在此基础上，对真空闪蒸冷却的传热机理进行系统分析，重点研究喷雾液滴闪蒸对总体冷却效果的影响机理；在上述研究的基础上，针对航天器热控对重量的严格要求，得出在真空闪蒸冷却过程中基于工质流量最小的传热准则关系。该项目的预期研究成果，不仅为真空闪蒸冷却在航天器热控方面的应用提供实验和理论基础，也对其他领域的闪蒸技术研究和应用具有重要参考价值。

真空闪蒸喷雾冷却是利用液体工质在低压环境下迅速闪蒸吸热的特点来冷却加热表面的新型喷雾冷却方式，其充分利用工质潜热，散热能力强，在航天热控方面有广阔的应用前景。真空闪蒸冷却过程包括喷雾液滴闪蒸过程和被冷却表面的液膜闪蒸过程两部分, 其中喷嘴的喷雾特性对液滴闪蒸具有重要影响，而液滴的闪蒸现象反过来改变到达被冷却表面的液滴雾化参数，并进一步影响到被冷却表面液膜的形成，从而影响被冷却表面的传热特性，其换热过程十分复杂。项目组利用理论和实验相结合的方法，研究真空闪蒸冷却过程中传热特性以及各参数对传热特性的影响机理。. 项目组分别建立了以R134a为工质和以水为工质的闪蒸喷雾冷却换热模型以及闪蒸冷却实验平台，对闪蒸冷却的换热特性进行了研究，从整体上研究了真空闪蒸冷却的换热性能及其影响参数。实验研究结果表明，真空闪蒸喷雾冷却的流量需求非常小，是喷雾冷却的1/3，液滴壁撞击传热和液膜闪蒸蒸发热量转移在真空闪蒸喷雾冷却中占主导地位，与传统喷雾冷却不同，真空闪蒸喷雾冷却中热流首先随着流量的增加而增大，然后随着流量的提高而减小，存在最佳流量。由于实验过程中部分中间参数难以测量，如被冷却表面液膜的分布，也不能有效地揭示真空闪蒸冷却过程中的各种传热机理及其相互之间的影响关系。项目组在上述实验研究的基础上，建立了真空闪蒸条件下的喷雾冷却传热模型，研究了闪蒸机制对喷雾液滴特性和喷雾冷却换热特性的影响，得出了各种参数对喷雾冷却换热机制的影响机理和内在规律。模型中液滴闪蒸模型采用基于扩散控制蒸发方程的热导率修正模型，液膜闪蒸模型采用基于膜渗透理论的瞬态传质模型，经验证，该模型与实验结果吻合较好。研究结果表明，喷雾特性和喷雾流量等都是影响闪蒸喷雾冷却换热特性的重要参数。然而，目前普遍使用的压力旋流喷嘴存在喷雾特性难以控制、喷雾流量大、雾化不均匀、需要压力泵等缺点，项目组基于工质流量最小化的基础设计了压电雾化喷嘴，并对其换热特性进行了研究。研究发现，压电雾化喷嘴在小流量下具有喷雾参数可控、喷雾分布更加均匀、不存在中间空心区。通过本项目的研究，为闪蒸喷雾冷却的工程应用和优化设计提供了实验基础，为利用真空闪蒸冷却实现航天器高效率热控提供理论基础。