喷雾蒸发过程中近壁场两相流动及蒸发界面液固耦合作用特性

喷雾蒸发冷却是一种高效换热的新技术。其传热特性受到喷嘴参数、表面结构、制冷剂特性以及气液两相流动等因素的影响。本项目以微毛细槽道喷雾蒸发冷却为研究对象，对喷雾参数、气液流动、相界面蒸发与微毛细结构尺寸特性的耦合作用机制进行基础科学研究。内容包括：对近壁面区域，气液两相逆向流动对喷雾微粒在微毛细表面上的碰撞、延展、蒸发的影响特性和微观机制；获取液固耦合作用下，微毛细槽道结构尺寸与喷雾粒径、工质物性、喷雾参数的关联；获取表面浸润性、液膜分布、表面滞液量对传热过程的影响机制；采用VOF方法结合连续表面力项模型模拟微结构表面对气液两相逆向流动的影响特性，获得两相流动流态、相分布及阻力特性等因素的变化规律；建立相界面蒸发与核态沸腾的传热模型。本项目旨在揭示喷雾蒸发冷却过程中气液流动、液滴传递特性及微毛细结构特性耦合作用机制，为优化喷雾蒸发冷却及性能预测提供理论和实验依据。

项目的主要研究工作分为实验和理论研究两个部分。在实验研究部分，搭建了以液氨为工质的喷雾相变冷却的可视化实验平台，对实验所采用的液压式喷嘴和气助式喷嘴进行了测试，获得了进口压力、流量与喷雾粒径之间的变化关系；完成了光滑表面、沟槽表面以及多孔表面上的喷雾相变冷却的实验研究，获得了流量、压力、过冷度等参数对喷雾相变冷却传热特性的影响规律。完成了单个液滴撞击固壁的可视化实验，获得了液滴在铺展、回缩、反弹等过程中其动态特性的变化规律，获得了不同浸润性表面对液滴动力学特性的影响规律，以及液滴撞击速度、液滴尺寸、非均匀浸润性壁面等因素对液滴撞击固体壁面动态特性的影响。在理论研究方面，通过VOF结合CSF方法模拟了喷雾液滴撞击固体壁面后的动态变化过程，耦合Level Set方法对移动界面的捕获，获得了单个液滴撞击壁面后内部温度、压力及速度场的分布；分析了液滴撞击壁面后二次气泡和夹带气泡的形成过程，为进一步揭示喷雾相变冷却传热强化理论提供了支撑。.主要的工作和结论如下：.1）随着喷嘴进口流量增大，喷雾特性得到强化，液滴速度和液滴密度数将增大；而液滴粒径将减小，对换热起到增强作用。同时，对流换热阶段延长，表面温度分布更为均匀，能够获得更高的热流密度。.2）提高液氨的饱和温度，在相同热流密度下，其表面过热度明显降低。在相同工况下，沟槽表面和多孔表面的换热性能均优于光滑表面，并大幅提高CHF值，并能够显著降低表面过热度。在相同液体流量下，气助式喷嘴相对于液压式喷嘴的换热性能提升幅度达到69%。.3）获得不同浸润性固体壁面上液滴的形态演变规律，液滴铺展因数、三相接触线、动态接触角等的变化规律；撞击速度及液滴尺寸对其撞击固体壁面动态特性的影响；研究了不同撞击条件下，二次液滴的形成机制和规律；液滴撞击半亲水半超疏水壁面的特性；液滴撞击含单条超疏水线及“十”字超疏水线亲水壁面的特性；具有亲憎水性间隔的固体壁面对液滴铺展、回缩等机制的影响规律。.4）通过VOF结合CSF模型对液滴撞击壁面进行了模拟，结果与实验符合较好，获得不同浸润性、冷/热固体表面上液滴铺展因子、速度、温度及压力场的变化规律；研究了撞击速度、液滴大小等因素对气泡卷吸特性的影响规律。.项目研究至今，已发表文章11篇，其中SCI收录3篇，EI收录7篇，硕士学位论文2篇。申请专利2项，培养博士研究生2名，硕士6名。