高热流密度动载条件下喷雾冷却传热机理和失效特性研究

Spray cooling has become a research hotspot in the region of airborne laser weapon cooling. However the current study of spray cooling mechanism with high heating power and dynamic load is still limited. Thus a spray cooling experimental bench combined with the boundary conditions of vibration and rotation is established. The interaction mechanism of atomized droplets, bubbles and liquid films is investigated by the method of visualization experiment, then the spray characteristics, heat transfer characteristics and performance failure region inside the typical flight envelope are emphatically analyzed. Dimensionless parameters representing the spray cooling characteristics are determined and correlations are obtained on the basis of the experimental data. Besides the spray cooling mechanism with dynamic load as well as the difference between the dynamic load application and the ground application is explained by the combination of several fluid dynamic models. A mathematical model representing the heat transfer process with dynamic load is established. Moreover, the influences of the airborne special boundary conditions are investigated theoretically and experimentally. Innovations will be achieved in the aspects of preventing cooling failure, enhancing heat transfer capacity and multi-nozzle spray mechanism. The research findings can provide a theoretical foundation for the application of spray cooling in the region of airborne laser weapon cooling.

喷雾冷却已成为机载激光武器冷却领域的研究热点，然而高热流密度动载条件下的喷雾冷却机理尚未明确。为此，本项目拟搭建包含振动旋转功能的高功率大热沉表面喷雾冷却实验台，使用可视化研究的方法探究液滴、气泡和液膜之间的作用机制，并重点考察喷雾冷却传热特性与失效区间；在此基础上确定表征机载喷雾冷却特性的无因次准则数，归纳关联式。同时本项目将使用多个流体计算模型结合的方式，力图从理论上描述动载喷雾冷却机理及其与常规喷雾冷却的差异性，在动载工况下的传热数学模型方面实现突破。此外，在现有地面实验数据的基础上，运用实验测试和数值模拟的技术手段，考察机载特殊边界条件对喷雾冷却特性的影响，在防止喷雾失效、提升换热能力和多喷嘴喷雾机制方面取得创新成果。研究结果可为喷雾冷却在机载激光武器冷却领域的应用提供理论支撑。

受能量优化型飞行器概念的影响，机载电子设备逐渐向微型化、高集成度、高性能的方向发展。高热通量的散热技术是保证机载电子设备安全、稳定、高效运行的关键。相对于传统风冷散热方式，喷雾冷却的散热能力更强，且热沉表面温度分布均匀，热应力小，在高热流密度散热场景中有广阔应用前景。. 本项目首先搭建了喷雾冷却试验台，建立了与颗粒图像测速系统相结合的喷雾冷却系统。通过改善制冷工质热物性以及强化雾化结构等方法来追求较高的散热功率和提升系统冗余度。研究中选择了四种纳米颗粒制备的纳米流体作为实验介质，研究了纳米粒子种类和浓度对冷却性能的影响；选择不同种类的表面活性剂，研究表面活性剂浓度变化对纳米流体换热性能的影响。研究还从微观角度研究了不同参数的液滴撞击壁面液膜过程的水花形态特点，结合水花参数的变化，运用运动间断理论和无量纲参数Re和We的变化分析了不同参数对液膜的流动特征和水花形态的影响及水花产生机理。. 在面向航空航天的喷雾冷却应用中，还考虑了飞行器外部环境以及过载引起的加速度和振动、飞行姿态的影响。本项目研究发现，在重力作用的初期，相比于普通重力g的作用，在喷雾系统初期，无论是正向增加重力加速度还是反向增加重力加速度，液滴分布都能更快的达到充分；但是随着时间的推移，液膜厚度逐渐稳定；当喷雾充分发展时，速度的影响将覆盖重力加速度的影响，使得喷雾液膜分布均达到均匀状态。同时，整个喷雾冷却过程中，负压状态下的液滴和液膜分布效果均优于标准大气压下的状态；在喷雾初期，负压状态下的喷雾冷却更容易达到均匀状态；当时间足够长，喷雾的状态渐渐趋于一致时，负压状态的液膜厚度较低。. 最后，利用摆动喷雾冷却实验装置，研究摆动频率、摆动幅度以及喷雾高度对稳态喷雾冷却换热性能的影响。结果发现：施加摆动激励会导致喷雾腔内产生积液，积液量与摆动激励强度相关。摆动激励对喷雾冷却性能的影响归结于其内部积液引发喷雾腔内流体运动形态的改变。