喷雾冷却中振动效应对瞬态沸腾传热影响的数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Numerical study of vibration effects on the transient boiling heat transfer of spray cooling

　　摘要：为满足航空航天电子设备的热管理需求，喷雾冷却展现出巨大的应用潜力。然而，振动如何影响液膜动态以及由此产生的瞬态沸腾传热响应机制目前仍不甚清楚。本研究采用欧拉-拉格朗日方法建立了振动表面喷雾冷却的瞬态多相传热模型，并系统分析了不同振动条件对液膜动态和沸腾传热行为的影响。研究结果表明，增大振动雷诺数会增强振动对液膜的惯性作用，抑制其快速流失。当振动加速度数为10时，振动雷诺数为4000时的平均液膜厚度比1000时高6.6%。但液膜的空间非均匀性增加以及局部干区扩大导致沸腾速率下降53.8%。相反，增大振动加速度数会加剧液滴与加热表面的相互作用，使液滴飞溅更严重，从而减少实际形成液膜的冷却剂量。在振动雷诺数为1000时，振动加速度数为40时的平均液膜厚度比10时低5%，这使得沸腾速率上升8.4%。此外，较高的振动雷诺数显著缩短了喷雾冷却达到最大沸腾速率所需的时间。在振动加速度数为10时，将振动雷诺数从1000提高到4000可使达到峰值无量纲沸腾速率的时间缩短46.9%，而振动加速度数对这一过程的影响则相对较小。

引言：随着高功率电子系统的功率密度不断增加且尺寸日益缩小，传统冷却技术在处理高热流密度方面面临越来越大的挑战。由于喷雾冷却具有较高的传热系数、高效的冷却剂利用效率以及良好的温度均匀性，因此在包括航空航天电子设备在内的高热流密度热管理领域受到了广泛关注[1][2]。通过优化工作流体和操作条件、喷嘴设计、电场辅助、表面改性以及机械振动或超声激励等方式，可进一步提升其性能[3][4][5][6]。在这些策略中，振动能够主动调节液滴撞击、液膜传输和沸腾动力学，因此根据所施加的条件，它既可以增强传热效果，也可能抑制传热。

除了作为主动增强手段的潜在用途外，振动也是航空航天喷雾冷却系统中不可避免的操作干扰因素。这些系统在发射过程中可能会受到强烈的振动、冲击以及变化较大的加速度载荷，而在长期在轨运行过程中则可能面临姿态调整和微振动干扰。此类振动条件会显著扰乱喷雾冷却过程，尤其是通过改变液滴撞击行为和液膜的动态演变[7][8]，进而影响相关的沸腾传热特性。近年来，已有大量实验和数值研究致力于探讨振动条件下的喷雾冷却传热现象。Sarmadian等人[9]通过水平喷雾蒸发冷却实验发现，在400赫兹、0.02毫米的高频低幅值条件下，最大热流密度下降了约30.1%。相比之下，在6赫兹、12毫米的低频高幅值条件下，则观察到了明显的传热增强现象。Ng等人[10]通过液滴撞击实验研究了振动对莱顿弗罗斯特效应的影响，他们发现壁面振动可以有效抑制蒸汽层形成，从而使传热性能提升约105%。Chen等人[11]通过高速成像技术研究了振动条件下液滴撞击动力学和传热特性，他们的研究发现高频振动有利于液滴扩散和传热增强，而振动幅值的增加则具有抑制作用。0.2毫米的振幅可使传热增强效果达到约16%，但在10赫兹、0.8毫米的振幅下，该增强效果降至44%。此外，Chen等人[12]还发现振动能显著提升喷雾冷却的传热效果，其传热系数相比静止光滑表面可提高多达44%。Elston等人[13]研究了振动条件下的喷雾冷却核态沸腾特性，发现振动加速度会降低核态沸腾阶段的散热效率。而Michalak等人[14]则得出了相反的结论，认为振动加速度能显著提升热量移除效率。因此，现有的实验研究对于振动是促进还是抑制喷雾冷却传热这一问题仍存在不一致的结论。仅依靠实验结果不足以全面揭示振动条件下的复杂瞬态传热过程，因此人们开始引入数值模拟作为补充分析手段。Jose等人[15]基于VOF方法研究了单个液滴撞击振动壁面的瞬态传热特性，他们发现较大的振动幅值会抑制液滴的有效接触，从而削弱传热效果，而小幅值高频率的振动则有助于液滴蒸发和传热。Wang等人[16]进一步发现，当振动频率为20赫兹时，传热性能提升8.1%，而在800赫兹时则下降58.2%。Luo等人[17]通过有限元模拟发现，高频振动能使液膜分布更加均匀，从而使壁面的瞬态传热能力提升12%。然而，目前大多数研究主要从宏观传热角度来分析这一问题。相比之下，对于喷雾冷却沸腾过程中的沸腾速率进行定量描述仍然相对有限，而且振动条件下沸腾的瞬态演变机制也尚未被充分理解。尽管以往的研究已通过实验和数值模拟探讨了振动对喷雾冷却传热特性的影响，但大多集中在稳态传热性能方面。对于振动条件下喷雾冷却的瞬态沸腾过程的研究仍然有限，尤其是在以沸腾速率来定量描述传热性能方面。为解决这一问题，本研究基于欧拉-拉格朗日方法建立了振动表面喷雾冷却的瞬态多相传热模型，随后通过数值模拟研究了不同振动条件下的液膜演变和瞬态沸腾行为。从沸腾速率的角度进一步分析了振动对传热特性和临界热流密度的影晌，旨在阐明振动条件下喷雾冷却的沸腾传热机制，为航空航天电子设备的喷雾冷却系统优化设计提供理论依据。

数学模型：本研究采用欧拉-拉格朗日方法建立了振动表面喷雾冷却的瞬态传热模型。连续相遵循质量、动量和能量守恒方程，湍流则采用可行的k–ε双层模型来描述。对于离散相，则使用Huh初级雾化模型和KHRT破碎模型来描述液滴的运动、蒸发和破碎过程。壁面液膜则通过特定模型进行描述。

模型验证：为了评估该数值模型在振动条件下模拟喷雾冷却瞬态过程的可靠性，将实验测得的表面平均热流密度和表面温度与在典型振动条件Rev=1000、Ac=10下的数值预测结果进行了比较。在此过程中，喷雾流量和喷雾高度分别保持为180毫升/分钟和12.8毫米，而加热功率则在100瓦到250瓦之间变化。如图4所示，预测得到的热流密度与实验值较为吻合。

结论：为阐明振动影响喷雾冷却传热的瞬态机制，本研究基于欧拉-拉格朗日方法建立了振动表面喷雾冷却的瞬态多相传热模型。研究了固液界面处液膜的瞬态行为和演变规律，并系统分析了不同振动条件对液膜厚度、液膜速度及相关特性的影响。本研究……

作者贡献声明：Xinwen Chen：撰写初稿；Yanjing Shen：软件相关工作；Zhaohua Li：软件相关工作；Yongfa Qin：软件相关工作；Aimin Du：实验研究；Yajie Zhou：模型验证；Kun Liang：项目指导；Meng Zhang：形式化分析。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Xinwen Chen|Yan Jing Shen|Zhaohua Li|Yongfa Qin|Aimin Du|Yajie Zhou|Kun Liang|Meng Zhang