热能与动力工程前沿Word下载.docx

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舱外航天服设计复杂，其中热控系统是舱外航天服生命保障系统的一个重要组成部分。

其主要作用是排除航天服内的多余热量，包括航天员自身生理产热、系统设备产热以及来自外部环境的热负荷等，从而保障航天员的热舒适性。

利用质量传递机理设计的系统：

水升华器，其主要工作原理是利用太空中的高真空环境，通过蒸发或升华一种消耗性物质（目前多数使用水）进入太空，利用该物质的相变潜热，来为宇航员提供冷却。

与其他几种热控方案相比，水升华器体积最小，重量最轻，性能稳定，在失重和热负荷变化的条件下能可靠工作。

因此水升华器是目前舱外航天服主要采用的热控方案。

上世纪六十年代，美国的阿波罗计划中，水升华器得到第一次实际应用，之后俄罗斯使用的Orlan航天服和我国航天员翟志刚身着的“飞天”舱外航天服的热控系统均采用了水升华器。

研究液体在真空环境下发生蒸发、凝固和升华一系列相变过程，了解传热传质机理，对水升华器的优化设计和可靠工作具有重要的指导意义。

此外载人飞船和液体火箭在太空飞行过程中，都有液体向太空排放问题。

因为太空中环境压力极低，排放的液体在降压过程中会发生蒸发、凝固和升华一系列相变过程。

如果凝固的液体阻塞排放管，将影响火箭的二次点火，对载人飞船来说将恶化宇航员空中生活质量。

在太空液体排放过程中，排放的液体不光是水，更多的是溶液和混合物（如汗液、尿液、剩余燃料）等多组分介质，因此研究多组分液滴降压过程中发生蒸发、凝固和升华等一系列相变过程有助于深入研究太空液体排放问题，对太空排放设计计算有重要的意义。

2射流方法

采用射流方法喷水制冰，自上个世纪六十年代已应用于人工造雪。

将水注入专用喷嘴，在那里接触高压空气，高压空气将水流分割成微小的粒子并喷入寒冷的外部空气中，在落到地面以前这些小水滴凝结成冰晶。

Chen[1]和Yao[2]等人对该系统的传热传质过程进行了分析，在此基础上，James[3]计算了采用喷水制冰法进行人工造雪的结冰效率，并分析了环境温度和液滴尺寸的影响。

Shin[4]和Kim[5]采用将水喷射进真空蒸发罐的方法，研究了冰粒子形成的条件。

实验中真空罐压力133Pa–611Pa，选用不同的喷头使液滴沙得直径（SMD，SauterMeanDiameter）在50–300μm范围内，将热电偶置于喷头下方不同位置处，获得温度随时间的变化。

通过将水连续不断的向真空罐中喷射，实验观察到冰粒子的形成，得到了相同初始温度和粒径的液滴，随着环境压力的降低，最低温度也随之降低的结论，并指出系统效率受射流速度影响。

还有一些学者对水喷射至低压环境下的破碎过程、闪蒸及相变情况进行了研究。

当液体突然从管道中喷射至低压环境下，由于巨大的压差，液体快速蒸发（闪蒸），在这个过程中射流会破碎。

首先想到利用闪蒸现象改善喷雾、并加以研究的是Brown[6]，其研究结果表明：

闪蒸喷雾可以明显改善雾化，它需要的是高温。

Fuchs[7]对影响射流的参数如喷嘴的形状、射流温度、气体含量进行了研究，认为在一定的实验条件下，射流离开喷嘴的出口突然爆裂成液滴和冰粒子，这种现象可以用水的突然沸腾爆裂来解释，水的突然沸腾是压力突然降低造成的，表面张力又造成水的爆裂延迟。

同时在实验中发现射流随温度的增高射流角度增加，相同温度下随排放管径的增大，射流出口形成角度也增加。

Peter[8]对过热液体喷射至低压环境中发生闪蒸和破碎的现象进行了研究，将其分为四种形态：

不发生破碎的液体射流，部分液体破碎的液体射流，完全破碎射流和突然闪蒸，如图1-1所示。

这四种形态的发生与喷嘴尺寸和内表面粗糙度，进口水温，流速，真空环境压力，以及喷嘴出口处的气泡份额等因素有关。

不破碎的液体射流：

液体在喷嘴出口一定距离后仍维持圆柱型，伴随着一些零星的液体平行于主流方向下落。

这种情况通常发生于液体过热度较低的情况。

部分破碎的液体射流：

液体破碎发生在喷射出的柱状流体外层，中心流体仍然维持圆柱状。

此情形的液体过热度略高于不破碎的情况。

完全破碎的液体射流：

随着进口液体过热度的继续升高，会出现液体完全破碎的情况。

这种情况下，完全破碎的液体射流发生在喷嘴出口下方一定距离处。

突然闪蒸：

当液体的过热度非常大，环境压力极低的情况下，会发生突然闪蒸的

情况。

这种情况下，液体在喷嘴出口处破碎，射流角度比以上几种情况都大。

Peter还通过将热电偶置于不同位置，研究了液体沿射流轴向和径向的温度分布情况。

不破碎部分破碎完全破碎突然闪蒸

图1-1液体射流的形态

Miyatake[9]对过热液体喷射至低压环境发生的喷雾闪蒸过程进行了实验研究，在射流入口温度60oC的条件下，研究了过热度、射流速度和喷嘴直径的影响。

实验结果显示液体过热度越大（△T），射流过程中温度下降越快，并给出了预测液体温度变化的经验公式：

（We/Re1/8）exp（ΔT/35）≥24（1-1）

El-Fiqi[10]也对过热水在低压环境下射流发生闪蒸的过程进行了实验研究。

实验中使用的圆形喷嘴直径小于0.4mm，液体初始温度为40-70oC，真空压力为60-250mbar，给水流量为4-15kg·

h-1。

文章定义闪蒸效率η=（Tin–Tout）/（Tin–Tsat），实验得到了液体过热度，给水流量，给水温度，真空度和闪蒸效率之间的关系，并指出闪蒸效率和闪蒸蒸汽量随液体过热度的增大而增大，且闪蒸蒸汽量与液体过热度成正比关系。

此外，喷雾制冷还应用于激光治疗中对人体皮肤进行冷却。

Aguilar[11,12]采用制冷剂R134进行了喷雾实验，研究了喷射时间对传热过程的影响，并且应用Ranz&

Marshall[13,14]提出的半经验关联式，考虑液滴运动过程对流效应，建立了单个液滴蒸发模型，在其实验参数范围内对液滴尺寸、速度、温度等参数随喷雾距离的变化做出了预测。

但是该文章中还存在以下几点问题：

（1）建立的单液滴蒸发模型，未考虑液滴碰撞的相互影响；

（2）制冷剂物性参数取为定值，没有考虑随温度变化的影响；

（3）仅从能量守恒的角度，考虑了蒸发过程的传热传质以及液滴运动的影响。

而实际制冷剂从喷嘴喷出的瞬间与周围环境存在较大的压差，伴随液滴剧烈蒸发的非平衡蒸发过程没有考虑。

我国学者吴楚[15]采用PDA测量技术研究了水闪蒸喷雾过程中，压力、温度对喷雾特性（包括雾束形状、液滴平均直径和液滴流速）的影响。

实验结果表明：

在其实验条件下，闪蒸喷雾雾束形状与压力雾化时有明显的不同；

当水温达到饱和温度时，雾束剧烈抖动，极不稳定；

当水箱水温小于喷嘴出口处饱和温度时，喷嘴前是饱和水，在到达喷孔时才开始成为过热水，喷射出口压力越小，液滴的算术平均直径也越小；

而当水箱水温大于喷嘴出口处饱和温度时，水箱的水不用流到喷孔，只需流过截止阀，便成了过热水，开始闪蒸，到喷嘴出口处，已经有相当的水变成了湿饱和蒸汽。

水箱温度越高，喷嘴前湿饱和蒸汽的干度越大，需要到喷孔外再产生、长大的气泡越少，液滴算术平均直径越小。

刘伟民[16]实验研究了液体喷射至真空室内的流动情况，用DV拍摄了喷射过程中射流的变化情况。

采用重量传感器测量了喷射过程中质量的变化，并计算了喷射速度随时间的变化规律，在试件出口不同位置布置了热电偶用来分析射流的温度变化。

实验获得了初始温度、环境压力和不同管径对射流速度和温度变化的影响。

西安交通大学王国祥教授领导的课题组也对激光手术喷雾冷却过程中单个液滴的蒸发特性开展了大量研究[17-19]。

利用质量传递数法推导传质方程，通过选取合适的阻力系数经验关联式建立了动量方程，考虑液滴蒸发以及环境气体的对流换热建立了液滴能量方程，建立了单个制冷剂液滴平衡蒸发阶段蒸发冷却的理论模型。

分析了液滴初始速度、初始直径和环境蒸气质量分数对蒸发特性的影响，其工作弥补了文献[11]中的不足，例如：

考虑了物性参数随时间的变化，选取了合适的阻力系数经验关联式，引入了七个不同气相模型对单个液滴蒸发特性进行比较；

并提出选用制冷剂R404a比R134a具有更好制冷效果的观点。

但上述研究中也没有考虑喷射过程中液滴相互碰撞的影响以及非平衡蒸发过程。

综合以上文献，采用射流的方法可以使液体周围环境压力迅速下降，在喷嘴出口处由于压力突降液体剧烈蒸发。

液体过热度、环境压力、射流速度、喷嘴尺寸等因素都会对喷雾特性（雾束形态、液滴尺寸、蒸发效率等）产生影响。

然而，该方法很难对单个液滴的温度及形态变化进行追踪和捕捉，采用单液滴蒸发模型对该过程进行研究，没有考虑喷射过程中液滴相互碰撞的影响也存在不足。

3液滴悬挂法

1991年，Owen[20]采用热电偶悬挂液滴的方法实验记录了液滴闪蒸过程的压力变化和温度变化。

实验中液滴直径1~3mm，容器初始压力9bar，然后快速降压，液滴过热。

实验观察到由于过热度的不同，液滴经历的形态也不同：

液滴过热度5度以内，液滴表面平静蒸发；

过热度5-18度，液滴内产生气泡但不破裂；

过热度在18度以上时，液滴爆裂闪蒸。

Satoh[21]使用直径100μm的热电偶悬挂纯水液滴，液滴初始温度10~40oC，液滴初始直径1~4mm，通过开启测试罐与真空罐连接管段中的电磁阀，测试罐内环境压力由1个大气压下降至70~100Pa的环境中。

实验观察到液滴经历以下四种情形：

稳态蒸发结冰；

气泡生成-结冰；

气泡破裂；

闪蒸。

实验过程中热电偶记录了液滴中心温度的变化，结果显示：

液滴结冰前会存在明显的过冷度；

液滴内气泡的生成加速了液滴的冷却速率。

随后，刘伟民[16,22,23]采用与Saoth同样的方法，对液滴在降压蒸发过程中的温度变化和形态变化进行了更深入的研究。

液滴的初始温度为10~40oC，液滴初始直径1~3mm，测试罐内环境压力从1个大气压降至50~4000Pa的低压环境。

实验观察到当最终环境压力高于水的三相点压力611Pa（通常情况下>

1000Pa时），液滴表现为明显的过冷状态而不发生结冰；

随最终环境压力的降低，低于或接近611Pa时液滴表面开始结冰。

研究认为，由于最终环境压力的降低，液滴蒸发过程的形态变化可划分为6种形态：

稳态蒸发；

稳态蒸发-结冰；

伴随气泡生长的蒸发-结冰；

气泡逸出-结冰；

气泡快速生成-爆裂；

爆裂。

实验过程中将热电偶置于液滴内不同位置处，结果表明液滴降压蒸发过程中温度沿半径方向变化，液滴内部温度并不均匀，而存在明显的温度梯度。

通过对实验数据的整理还获得了最终环境压力、液滴初始温度和液滴初始直径对液滴温度变化过程的影响。

国防科学技术大学苏凌宇[24]也采用液滴悬挂法对负压环境下燃料液滴的蒸发过程进行了实验和理论研究。

实验中采用石英丝悬挂燃料煤油液滴，环境压力0.02~0.06MPa，环境温度375~430K，高速摄影系统记录了液滴在蒸发过程中直径的变化。

实验结果认为，由于受重力的影响，实验中所悬挂的煤油液滴随着蒸发的进行质量不断减小，所受重力也不断减小，石英丝对液滴的表面张力会拉动液滴向上方移动，液滴的位置和形状会发生一定的变化。

实验获得了煤油燃料液滴在负压环境下的蒸发速率，以及受环境压力和环境温度的影响。

结果显示：

环境压力越低，煤油燃料液滴的蒸发速率越快，生存时间越短；

在相同的环境压力下，环境温度越高，煤油燃料液滴的生存时间越短。

在理论研究方面，假设液滴处于静止的环境中，除蒸发引起的Stefan流外，无任何其他形式的流动，建立了负压环境下燃料液滴的蒸发模型。

该研究针对负压静止环境下的液滴蒸发过程进行了研究，而在降压过程中由于气流运动的影响，液滴蒸发过程更为复杂。

综合上述文献，采用液滴悬挂法能对单个液滴降压过程中的形态变化和温度变化进行观察和捕捉，然上述文献中还存在以下几点问题：

（1）都采用了热电偶测量液滴温度的变化，然而由于水的导热系数较小，在降压蒸发过程中液滴内部会存在较大的温度梯度，温度分布不均匀。

虽然刘伟民的研究中，观察到该现象的存在，但由于采用热电偶置于液滴内部不同位置的多次测量方法，实验的重复性很难得到保证，对液滴内部温度分布研究还不够深入。

（2）对液滴降压蒸发过程的热力学分析，没有考虑环境压力的变化过程，采用了压力突降假设，认为环境压力瞬间下降至预定低压环境，液滴过热。

而实际由于受电磁阀响应时间和管道内流动阻力等因素的影响，测试罐内环境压力是连续下降的，需要经历一定时间△t后达到预定低压环境。

环境压力下降过程中造成的气流运动会对液滴的蒸发过程产生影响。

4闪蒸喷雾的研究

浙江大学的吴楚采用照相和PDA测量技术研究了水闪蒸喷雾过程中,压力、温度对喷雾特性——雾束形状、液滴平均直径和液滴流速的影响,并通过试验数据的拟合,推测了闪蒸喷雾时液滴平均直径与汽泡生长动力学参数的关系.结果表明:

在本试验条件下,闪蒸喷雾雾束形状与压力雾化时有明显的不同;

当水温达到饱和温度时,雾束剧烈抖动,极不稳定;

当水箱水温小于喷嘴出口处饱和温度时,相同的水箱温度下,喷射压力小时,液滴算术平均直径小,当水箱水温大于喷嘴出口处饱和温度时,则反之.对液滴平均直径D10和D32的试验结果进行拟合,残差最小的是二次多项式,其次是指数函数和幂函数.

西安交通大学的周致富建立了制冷剂闪蒸喷雾试验台，对R134a制冷剂闪蒸喷雾冷却的喷雾特性和表面传热特性进行了实验研究，得到了制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却条件下的喷雾特性和表面传热特性，以期为皮肤激光临床手术提供定量的指导。

还设计了8个不同内径和长度的直管型喷嘴，采用先进的磁控溅射沉积薄膜热电偶测温方法，应用杜哈梅尔定理技术表面热流密度，定量研究了不同喷嘴对冷去表面传热特性的影响，并对其传热规律和雾化特性进行了系统的分析比较。

此外，提出了评价喷嘴冷却效率的标准，给出了采用不同几何尺寸喷嘴时冷却表面换热量随喷雾距离的变化规律。

还以R134a制冷剂为闪蒸喷雾工质,通过特定喷嘴形成闪蒸喷雾气液两相流。

应用PDPA对闪蒸喷雾液滴直径和速度沿喷雾轴向方向和径向方向进行系统测量,拟合出了液滴轴向和径向无量纲速度沿径向无量纲距离变化的经验关联式。

5闪蒸喷雾的展望

目前对于闪蒸喷雾已经有了一些实验研究，但是对于闪蒸喷雾的理论模型的研究挺少，参考文献也不多，以后我要研究闪蒸喷雾的理论模型。

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