超聲對(duì)無(wú)沸騰區(qū)浸液式噴霧冷卻的影響研究

引 言

隨著電子元器件集成度提高，傳統(tǒng)散熱方式無(wú)法解決高熱通量的有效散熱[1-2]。噴霧冷卻具有工質(zhì)與表面溫差小、沒(méi)有沸騰滯后性、可實(shí)現(xiàn)均勻的冷卻壁面溫度、工質(zhì)需求量少等優(yōu)點(diǎn)，在高熱通量散熱條件下具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。

為保證電子元器件的可靠性和穩(wěn)定性，熱沉表面溫度宜控制在85℃以下[5]，這將導(dǎo)致以水為代表的冷卻工質(zhì)在常壓下僅能以無(wú)沸騰狀態(tài)換熱。其換熱機(jī)制表現(xiàn)為：無(wú)沸騰區(qū)噴霧冷卻時(shí)表面溫度較低，在加熱面上會(huì)形成一層液膜，液膜在噴霧沖擊力作用下，不斷向加熱面的邊緣移動(dòng)，此時(shí)流體溫度因吸熱而升高[6]。由于液膜很薄，在噴霧擊打下，邊界層減薄，與常規(guī)強(qiáng)制對(duì)流換熱相比噴霧強(qiáng)制對(duì)流換熱能力更強(qiáng)[7]；無(wú)沸騰區(qū)同時(shí)存在薄液膜蒸發(fā)換熱，在高熱通量和低流量的情況下，薄液膜的蒸發(fā)換熱作用顯著[8]；隨著噴霧流量增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)線性增加，無(wú)沸騰區(qū)噴霧液膜相對(duì)較厚，致使蒸發(fā)換熱可以忽略[9]。

在噴霧冷卻過(guò)程中，工質(zhì)種類[10-11]、工質(zhì)流量[12-13]、噴嘴類型[14-15]、表面粗糙度[16-17]等影響因素受到廣泛關(guān)注。在無(wú)沸騰區(qū)換熱中，Rybicki等[18]發(fā)現(xiàn)噴嘴的霧化特性可以通過(guò)改變液膜的形態(tài)和速度而影響噴霧冷卻效果。吳正人等[19]通過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力增大時(shí)，液膜厚度在大體趨勢(shì)上變薄，提高了噴霧換熱能力。Pautsch等[20]采用全反射光學(xué)技術(shù)測(cè)量噴霧壓力和液膜厚度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：噴霧壓力增大，更高的液滴速度沖擊液膜表面，液膜流速增加，液膜減薄，進(jìn)而換熱得到強(qiáng)化。謝寧寧等[21]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于壓力旋流噴嘴，在一定范圍內(nèi)，噴霧流量和壓力呈線性關(guān)系，調(diào)整噴霧壓力和高度可改變噴嘴的霧化特性。Cheng等[22]測(cè)量壓力旋流噴嘴的霧化特性發(fā)現(xiàn)：隨著流量增大，液滴速度及主流區(qū)面積都有所增大，液滴直徑和液滴數(shù)徑向分布越均勻；隨著噴霧高度增加，液滴直徑和徑向速度增加，液滴數(shù)減少，粒徑、速度和液滴分布越趨于均勻。

對(duì)于無(wú)沸騰區(qū)密集流噴霧冷卻，改變噴霧壓力和噴霧高度是有效但單一的調(diào)節(jié)手段，即冷卻性能進(jìn)一步強(qiáng)化存在較大局限性。近年來(lái)，Wang等 [23]以水為工質(zhì)開(kāi)展了無(wú)沸騰區(qū)浸液式噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在較低熱通量下，浸液式噴霧表面溫度相比單純的噴霧冷卻下降了10.4%，傳熱系數(shù)提高了19.5%，即在同等條件下浸液式噴霧的散熱效率更高。Patrick等[24]研究發(fā)現(xiàn)浸液式冷卻能突破單相、兩相冷卻瓶頸，使得高功率電子元件能有效散熱。

浸液工況為噴霧冷卻性能的進(jìn)一步提升提供了更多的可能性，浸液超聲噴霧冷卻即是一種有效途徑。超聲在液體中傳播時(shí)，存在著聲流和空化機(jī)制，有助于促進(jìn)換熱[25]。Wong等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在低熱通量條件下超聲強(qiáng)化單相對(duì)流傳熱，超聲聲壓低于空化閾值時(shí)，超聲波對(duì)傳熱產(chǎn)生的影響可以忽略。Legay等[27]研究發(fā)現(xiàn)空化泡的破裂會(huì)引起附近液體的湍動(dòng)和微擾，從而使得熱邊界層減薄，同時(shí)熱沉表面附近的流體擾動(dòng)還會(huì)增加汽泡脫離表面的頻率，從而提高傳熱系數(shù)。張東偉等[28]研究表明超聲空化核心的鏈?zhǔn)狡屏丫哂袦p薄邊界層、增強(qiáng)換熱的效果。Kiani等[29]研究表明傳熱強(qiáng)化效果隨聲強(qiáng)增加，隨超聲換能器與加熱段距離減小而增強(qiáng)；超聲頻率對(duì)換熱效果影響很小[26]。Kim等[30]研究表明多個(gè)超聲波換能器容易出現(xiàn)干涉，導(dǎo)致強(qiáng)化效果減弱；當(dāng)液體經(jīng)煮沸除去不凝性氣體后，僅在加熱表面產(chǎn)生局部空化，強(qiáng)化效果會(huì)相對(duì)減弱?？傮w上，超聲強(qiáng)化倍率在1.18～6之間，個(gè)別文獻(xiàn)甚至達(dá)到10[27]。

但是，高熱通量下超聲在噴霧冷卻強(qiáng)化換熱方面未見(jiàn)報(bào)道。噴霧特性有助于熱沉表面附近形成大量二次成核點(diǎn)，在超聲作用下成核點(diǎn)會(huì)形成空化泡且潰滅時(shí)在近壁面處產(chǎn)生噴注現(xiàn)象，同時(shí)超聲在液體中傳播時(shí)會(huì)形成聲流，進(jìn)一步提升液滴沖擊熱沉表面的速度，超聲和噴霧冷卻從機(jī)制上存在較高的契合度。為了獲得無(wú)沸騰區(qū)浸液式超聲噴霧冷卻特性，本文設(shè)計(jì)并搭建了以H2O為冷卻劑的閉式噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究噴霧高度、噴射壓力、熱通量以及超聲對(duì)浸液式噴霧冷卻換熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示，閉式循環(huán)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由五個(gè)部分組成，分別是噴霧腔、加熱系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、超聲發(fā)生系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)。其工作原理如圖1（b）所示，工質(zhì)在恒溫水浴中冷卻，降至設(shè)定溫度后通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入水泵加壓，一部分工質(zhì)由噴嘴噴射至加熱表面，另一部分通過(guò)冷卻盤管冷卻浸液水溫。換熱結(jié)束后的工質(zhì)流入恒溫水浴中進(jìn)行冷卻，如此重復(fù)循環(huán)。

圖1

圖1   噴霧冷卻系統(tǒng)

Fig.1   Spray cooling system

加熱塊材質(zhì)為紫銅，將4根功率為500 W的加熱棒水平嵌入柱體作為模擬熱源，加熱棒接入調(diào)壓電路，通過(guò)控制輸入電壓調(diào)節(jié)熱通量，熱沉表面直徑設(shè)計(jì)為?17 mm的圓柱形結(jié)構(gòu)，在距離熱沉表面頂部13、21、29 mm位置處設(shè)置熱電偶測(cè)溫孔，每個(gè)測(cè)溫孔布置一個(gè)熱電偶，模擬熱源結(jié)構(gòu)如圖2所示。在紫銅塊周邊填滿硅酸鋁纖維棉保溫，且在頂部通過(guò)聚四氟乙烯板封裝使得加熱塊具有良好的絕熱性能。噴嘴型號(hào)為美國(guó)斯普瑞公司的1/8G-SS1.5。電壓調(diào)節(jié)器控制加熱功率范圍為0～380 W，配置PW9901智能參數(shù)測(cè)量?jī)x讀取監(jiān)控電壓、電流、電功率等參數(shù)。

圖2

圖2   模擬熱源結(jié)構(gòu)

Fig.2   Structure of simulated heat source

2 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

熱通量、熱沉表面溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是衡量噴霧冷卻傳熱性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，直接測(cè)量這些參數(shù)較為困難，目前獲得這些參數(shù)的方法是根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律間接計(jì)算得出。實(shí)驗(yàn)段熱源圓柱的長(zhǎng)度方向包覆纖維棉絕熱保溫，熱量只沿實(shí)驗(yàn)段軸向傳遞，因此實(shí)驗(yàn)段逐步降溫的過(guò)程遵循一維導(dǎo)熱規(guī)律[31]。將傅里葉導(dǎo)熱定律簡(jiǎn)化后，得到穩(wěn)態(tài)下一維導(dǎo)熱熱通量計(jì)算公式：

q=?λ?T(y)?y$q=-\lambda \frac{?T\left(y\right)}{?y}$(1)

式中，q為熱通量，W/m2；λ為紫銅的熱導(dǎo)率，W/(m·K)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)中3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)值采用加權(quán)最小二乘法線性擬合，權(quán)重與熱電偶不確定度相關(guān)，基點(diǎn)選為熱沉表面，則有：

T(y)=a+by$T\left(y\right)=a+by$(2)

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的熱通量、熱沉表面溫度以及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表述為：

q=?λb$q=-\lambda b$(3)Tw=a$T_w=a$(4)h=q(Tw?Tin)$h=\frac{q}{(T_w-T_{in})}$(5)

式中，a 為截距；b為溫度分布斜率；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Tw為熱沉表面溫度，℃； Tin為噴霧工質(zhì)入口溫度，℃。

2.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)量?jī)x器及其精度列于表1，為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)所有設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)定。

表1   測(cè)量?jī)x器及其精度

Table 1  Measuring instrument and accuracy

此外，擬合3個(gè)熱電偶溫度分布斜率的最大不確定度為±0.02；熱電偶的位置由加工工藝決定，不確定度為±0.1 mm；熱導(dǎo)率不確定度為0.05 W/(m·K)；考慮T3測(cè)點(diǎn)截面距離加熱棒近且加熱棒非對(duì)稱布置，經(jīng)FLUENT數(shù)值模擬，額外引入T3測(cè)點(diǎn)不確定度±0.35℃。則根據(jù)誤差傳遞公式[32]，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，熱沉表面溫度最大不確定度為±0.9℃，熱通量、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大相對(duì)不確定度分別為±4.2%、 ±5.9%。

3 結(jié)果與討論

為研究超聲浸液式噴霧冷卻傳熱的影響因素及傳熱規(guī)律，在一定流量、噴霧高度以及浸液水量等條件下，施加固定頻率20 kHz的超聲波，多次調(diào)節(jié)加熱功率，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

3.1 不同壓力下超聲對(duì)浸液式噴霧冷卻的影響

將噴嘴高度設(shè)為距離熱沉表面10 mm，浸液水量高為35 mm（噴霧腔內(nèi)長(zhǎng)度、寬度均為230 mm），通過(guò)改變噴霧壓力（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa）進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。當(dāng)加熱塊上3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度都達(dá)到穩(wěn)定時(shí)（單次實(shí)驗(yàn)加熱時(shí)長(zhǎng)在30~60 min范圍內(nèi)），記錄數(shù)據(jù)；再繼續(xù)加大電壓，電壓從60 V調(diào)節(jié)至110 V，以10 V為一個(gè)單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)擬合得出穩(wěn)定條件下的熱通量和熱沉表面溫度，再計(jì)算出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，由此得到不同熱流下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及熱沉表面溫度隨噴霧壓力的變化如圖3所示。

圖3

圖3   不同熱流下傳熱系數(shù)與熱沉表面溫度隨噴霧壓力的變化

Fig.3   Variation of surface heat transfer coefficient and surface temperature with spray pressure under different heat fluxes

從圖3中可以看出，隨著噴霧壓力升高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)升高，熱沉表面溫度下降；當(dāng)噴霧壓力較小即噴霧流量較小時(shí)，超聲浸液式表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于浸液式；隨著噴霧壓力提高，超聲對(duì)于噴霧冷卻的貢獻(xiàn)逐步降低，甚至在熱通量較小時(shí)起到惡化效果。為分析惡化原因，在未加噴霧的恒定水浴內(nèi)開(kāi)啟超聲裝置，水浴內(nèi)水溫變化如圖4所示。

圖4

圖4   浸液水溫變化

Fig.4   Change of immersed liquid temperature

從圖4可以看出，在只施加超聲的條件下，浸液水溫隨著時(shí)間在不斷升高，可見(jiàn)超聲耗散熱效應(yīng)對(duì)水溫影響較大，在一定程度上會(huì)惡化傳熱。

在研究噴霧壓力對(duì)超聲浸液式噴霧冷卻的影響實(shí)驗(yàn)中，為了更好地比較超聲浸液式噴霧與浸液式噴霧之間的換熱效果，定義換熱提升比例ε$\epsilon$如下：

ε=hi,u?hihi×100%$\epsilon =\frac{h_{i,u}-h_i}{h_i}\times 100\%$（6）

式中，hi，u表示超聲浸液式表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；hi表示浸液式表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在不同噴霧壓力下?lián)Q熱提升百分比ε如圖5所示。

圖5

圖5   不同噴霧壓力下浸液超聲式對(duì)浸液式的換熱強(qiáng)化效果

Fig.5   Heat transfer enhancement effect of immersed ultrasonic type versus immersed type under different spray pressures

從圖5可以看出，在本文所研究的熱通量范圍內(nèi)，在噴霧壓力為0.1 MPa，熱通量為45 W/cm2時(shí)，超聲浸液式相比浸液式換熱強(qiáng)化了3.3%；當(dāng)熱通量為150 W/cm2時(shí)，超聲浸液式相比浸液式換熱強(qiáng)化了14.4%。當(dāng)熱通量在45~100 W/cm2，噴霧壓力高于0.3 MPa時(shí)，浸液式噴霧冷卻施加超聲，換熱能力反而惡化。這是由于：在液體中施加超聲波，聲壓梯度會(huì)使液體形成非周期性聲流，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化泡，空化泡高速脈動(dòng)還會(huì)使得泡外液體形成湍流或環(huán)流，另外空化泡在壁面附近破裂會(huì)形成噴注，上述機(jī)制均有利于降低熱沉表面邊界層厚度強(qiáng)化換熱；當(dāng)噴霧壓力較小如0.1 MPa時(shí)，霧化流沖擊熱沉表面的速度不高，熱邊界層較厚，此時(shí)輔以超聲有利于減小邊界層厚度，從而可有效提升換熱能力；而當(dāng)噴霧壓力較高如0.5 MPa時(shí)，噴霧液滴進(jìn)入水中的數(shù)量以及速度大幅增加，超聲強(qiáng)化換熱機(jī)制與噴霧強(qiáng)化機(jī)制從本質(zhì)上有所重疊，霧化流速度的進(jìn)一步提升對(duì)換熱提升有限，反而由于超聲在液體中傳播時(shí)存在熱耗散效應(yīng)，惡化換熱。

另外，從圖5中可以看出，隨著噴霧壓力升高，強(qiáng)化比并非完全遵循遞減規(guī)律，強(qiáng)化比計(jì)算除受不確定度影響以外，還受限于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置浸液溫度控制手段，在不同的強(qiáng)化對(duì)比點(diǎn)，主浸液區(qū)溫度存在約±1.5℃的波動(dòng)。

3.2 不同熱通量下超聲對(duì)浸液式噴霧冷卻的影響

為研究熱通量對(duì)超聲浸液式噴霧冷卻性能的影響，采用與上述相同的實(shí)驗(yàn)條件和方法， 得到不同噴霧壓力條件下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱通量變化如圖6所示。

圖6

圖6   不同噴霧壓力下對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱通量的變化

Fig.6   Variation of convective surface heat transfer coefficient with heat flux density under different spray pressures

從圖6中可以看出，隨著熱通量增加，相同壓力下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高；當(dāng)噴霧壓力較小時(shí)，熱通量越高，超聲對(duì)浸液式噴霧冷卻的換熱效果提升越明顯；當(dāng)噴霧壓力較高時(shí)，熱通量提高，超聲并不會(huì)提升浸液式噴霧冷卻性能。這是由于：熱通量的提高會(huì)導(dǎo)致熱沉表面溫度升高，此時(shí)熱沉表面熱邊界層溫度梯度增大，熱邊界層與主液區(qū)之間的熱對(duì)流能力隨之增強(qiáng)，超聲聲流有助于進(jìn)一步提升熱對(duì)流能力，同時(shí)熱邊界層溫度升高也有利于形成更多的空化泡。

另外從圖中也可以看出，在相同的換熱能力下，噴霧壓力較低時(shí)，施加超聲有助于減小噴霧流量。實(shí)驗(yàn)中所選用噴嘴的流量與壓力變化關(guān)系如式（7）所示：

Q1Q2=(p1p2)0.46$\frac{Q_1}{Q_2}={\left(\frac{p_1}{p_2}\right)}^{0.46}$(7)

式中，Q 為噴霧流量，L/min； p為噴霧壓力，MPa。定義噴霧流量相對(duì)節(jié)約比例μ如下：

μ=Qi,u?QiQi×100%$\mu =\frac{Q_{i,u}-Q_i}{Q_i}\times 100\%$(8)

式中， Qi，u表示在相同換熱性能時(shí)噴霧流量;Qi表示浸液式噴霧流量。噴霧流量相對(duì)節(jié)約百分比μ隨熱通量變化如圖7所示。

圖7

圖7   噴霧流量相對(duì)節(jié)約比例隨熱通量的變化

Fig.7   The change of spray flow rate saving percentage with heat flux density

從圖7可以看出，在無(wú)沸騰區(qū)給定的熱通量范圍內(nèi)，當(dāng)噴霧壓力（噴霧流量）較低時(shí)，超聲浸液式能節(jié)省冷卻工質(zhì)流量，且噴霧壓力為0.1 MPa、0.2 MPa節(jié)省流量的效果要優(yōu)于0.3 MPa、0.4 MPa，在0.3 MPa與0.4 MPa條件下甚至?xí)褂酶嗟牧髁?。隨著熱通量的增加，較低噴霧壓力下噴霧流量相對(duì)節(jié)約百分比總體趨勢(shì)為不斷增加。

3.3 不同高度下超聲對(duì)浸液式噴霧冷卻的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證浸液式噴霧冷卻強(qiáng)化換熱與超聲強(qiáng)化換熱機(jī)制之間的相互關(guān)系，改變噴嘴高度H（10、12、14、16、18 mm），可間接調(diào)節(jié)霧化流沖擊熱沉表面的速度和有效流量，保證超聲施加方式不變，可得到不同噴霧壓力和熱通量下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨噴霧高度的變化，如圖8所示。

圖8

圖8   不同熱通量下對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨噴霧高度的變化

Fig.8   Variation of convective surface heat transfer coefficient with spray height under different heat flux density

從圖8可以看出，在給定的熱通量范圍內(nèi)，隨著噴霧高度的增加，超聲浸液式與浸液式的傳熱系數(shù)都會(huì)減小。對(duì)于浸液式 ，從10 mm高度升至14 mm，其傳熱系數(shù)下降幅度較小，從14 mm到18 mm高度下降幅度較大；超聲浸液式能減小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低幅度。當(dāng)噴霧高度較高（18 mm）時(shí)，在不同的噴霧壓力下，超聲浸液式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都大于浸液式，反映出超聲浸液式噴霧都能起到強(qiáng)化換熱的效果，且隨著熱通量的升高，強(qiáng)化效果越強(qiáng)。

在不同噴霧高度下，超聲浸液式對(duì)浸液式的換熱提升比例ε如圖9所示。

圖9

圖9   不同噴霧高度下浸液超聲式對(duì)浸液式的換熱強(qiáng)化效果

Fig.9   Heat transfer enhancement effect of immersed ultrasonic type versus immersed type at different heights

從圖9可以看出，在不同的噴霧壓力下，隨著噴霧高度的升高，超聲浸液式換熱提升比例ε都在不斷升高，即噴霧高度增加后，超聲浸液式噴霧冷卻的強(qiáng)化效果更強(qiáng)（如在噴霧壓力0.1 MPa，熱通量（152±2） W/cm2條件下，ε從10 mm高度時(shí)的14.4%提升至18 mm高度時(shí)的29.1%）。這是由于當(dāng)噴嘴距離熱沉表面較高時(shí)，噴霧工質(zhì)從噴嘴噴出后其受到的阻力較大，液滴的速度減小導(dǎo)致較少的噴霧工質(zhì)降落到熱沉表面，且噴霧液滴帶來(lái)的擾動(dòng)較小，與超聲的空化機(jī)制以及聲流機(jī)制抵消的較小，超聲浸液式相比浸液式換熱效果有較大的提升。

3.4 超聲強(qiáng)化浸液式噴霧冷卻的機(jī)理分析

超聲在液體中傳播時(shí)，由于聲壓梯度的存在，往往會(huì)使液體引起一種非周期性的運(yùn)動(dòng)，即所謂聲流；同時(shí)液體中的成核點(diǎn)在超聲作用下會(huì)形成空化泡，空化泡在近壁面處潰滅會(huì)形成噴注，同時(shí)空化泡的高速脈動(dòng)也會(huì)引起周圍液體湍動(dòng)，即所謂聲微流[25]。噴霧有助于在液體中引入更多的成核點(diǎn)，并在超聲作用下空化進(jìn)一步破壞熱邊界層，促進(jìn)換熱。在噴霧壓力較低或噴霧高度較高時(shí)，液流沖擊熱沉表面速度低，超聲聲流對(duì)液流速度提升較大，從而導(dǎo)致超聲具有較高的換熱提升效果。隨著熱通量提升，熱沉表面溫度逐步升高，導(dǎo)致熱邊界層溫度升高，根據(jù)空化泡形成機(jī)理[25]，液體溫度的升高更有利于生成更多的空化泡，并利用聲微流和噴注機(jī)制減小熱邊界層厚度，提升噴霧冷卻效果。

超聲在液體中傳播時(shí)還會(huì)存在熱耗散效應(yīng)，導(dǎo)致主浸液區(qū)和熱邊界層溫度升高，盡管本文實(shí)驗(yàn)已通過(guò)旁通冷流體控制主浸液區(qū)溫度，但是在熱邊界層的熱耗散效應(yīng)無(wú)法消除，導(dǎo)致熱邊界層溫度升高，惡化噴霧冷卻換熱。超聲強(qiáng)化換熱機(jī)制與噴霧冷卻換熱機(jī)制存在重疊，當(dāng)噴霧冷卻能力較強(qiáng)時(shí)，即低熱流或大噴霧流量下，超聲強(qiáng)化換熱機(jī)制被削弱，熱效應(yīng)惡化機(jī)制凸顯。

4 結(jié) 論

本文研究了浸液超聲狀態(tài)下閉式噴霧冷卻傳熱的影響因素及傳熱規(guī)律，在一定的噴霧壓力、噴霧高度以及超聲等條件下，得到如下結(jié)論。

（1）增加噴霧壓力（噴霧流量增加）可有效提升表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)壓力超過(guò)一定值時(shí)，超聲浸液式相比浸液式的強(qiáng)化換熱作用減弱，甚至?xí)夯瘋鳠帷?/p>

（2）最佳噴霧高度10 mm下，在噴霧壓力0.1 MPa時(shí)，以浸液噴霧為參照，隨著熱通量升高，超聲強(qiáng)化噴霧冷卻能力得到提升，最高強(qiáng)化比14.4%。

（3）隨著噴霧高度的增加，由于浸液阻力作用使得液流沖擊速度減小，導(dǎo)致無(wú)論浸液式還是超聲浸液式噴霧冷卻的換熱效果都會(huì)降低。在噴霧高度18 mm時(shí)，超聲對(duì)浸液式噴霧冷卻的強(qiáng)化比達(dá)29.1%。

符 號(hào) 說(shuō) 明