引言各种新型仪器、设备以及高性能产品不断问世，新型设备的出现可能带来热流密度过高、换热效率较低等问题。固体激光发射器半数能量转化为热能，热流密度高达1 000 W/cm2[1]，航空航天设备中电子元件热流密度可以达到100 W/cm2[2]。超级计算机中芯片的热流密度达100 W/cm2[3]，未来芯片的平均热流密度将达到500 W/cm2，局部位置将高于1 000 W/cm2[4]。每年有大量芯片因散热问题而损坏[5]。喷雾冷却技术具有高效冷却以及节能的特点，被广泛应用于工业产品的冷却中。目前，国内外学者对喷雾冷却技术进行研究，得出喷雾冷却光伏电池可以有效提高发电性能[6]、代替传统风冷制备钢化玻璃有效降低工业能耗[7]的结论，同时证明喷雾冷却技术可应用于环境温度较高的数据中心[8-9]。与其他风冷、浸没式冷却方法相比，应用喷雾冷却技术对高热流密度设备进行持续散热具有更加节能的优势。现阶段对喷雾冷却的研究更多的是基于沸腾换热原理提高换热性能，喷雾冷却持续散热设备的研究较少，且大部分研究采用单项喷嘴。以芯片为代表的高性能设备的工作温度低于喷雾介质的沸点温度，且冷却中应尽可能减少局部温差，有必要进行非沸腾区两相流喷雾冷却持续散热设备的研究。1实验平台搭建与验证根据实验需要搭建包含冷却、供热以及数据读取部分的实验平台。选取铜板(10 mm×10 mm×1 mm)为被冷却物体，其上表面为热沉表面。选用直径8 mm、长度30 mm的加热棒为热源，为铜板底面进行供热，实验装置结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F001图1实验装置结构通过改变电源电流、电压调节加热棒功率，为物体底面提供20 W/cm2、30 W/cm2、40 W/cm2、50 W/cm2、60 W/cm2、70 W/cm2、80 W/cm2和90 W/cm2的恒定热流密度。为了减小热损失量、提高实验精度，对热源进行保温处理。设计铝制保温外壳（厚2 mm、长30 mm、宽30 mm、高60 mm）包裹热源，在矩形外壳上表面加工正方形窗口，利用耐高温防水胶将铜板黏合在封装铝壳的上表面，利用保温棉充满保温层与热源之间的空隙。选取喷嘴口径为0.5 mm、喷雾锥角为32°的气液两相流喷嘴进行实验。该实验装置适用于不相互反应的一切冷却工质与气体，如实验室中易取得有压力的氮气以及冷却工质水。实验中利用节流阀与压力控制氮气气压，液体流量计控制水的流量。将热电偶紧贴在铜板底面中心位置，采集被加热物体底面中心温度并将数值传入电脑进行记录。2两相流喷雾实验数值模型2.1数值模型建立两相流喷雾冷却实验包括连续相模型、离散相模型、湍流模型以及连续相与离散相耦合模型。连续相模型包含质量、动量、能量守恒方程以及组分输运方程；湍流模型选择k-ε模型；离散相模型遵循拉格朗日壁面液膜假设。数值模拟时假设气液两相流喷雾的气相是连续相、小液滴喷雾为离散相，为了使数值模拟结果更加贴近现实实验，采取兼顾离散相、连续相相结合的求解方式。质量耦合方程为：Sd,m=Δmdmd,0Md,0 (1)动量耦合方程为：Su=∑3μCdRe4ρddd2ud-uMdΔt (2)Sv=∑3μCdRe4ρddd2vd-vMdΔt (3)Sw=∑3μCdRe4ρddd2wd-wMdΔt (4)能量耦合方程为：ST=Md,0md,0mp,m-mp,out-hfg-md,out∫TrefTd,outcp,ddT+md,in∫TrefTd,incp,ddT (5)式中：∆md——单位时间质量变化，kg；Md,0——液体最初质量流量，kg/s；md,0——起始质量，kg；Md——工质流量，kg/s；md,in——进口液体工质质量，kg；md,out——出口液体工质质量，kg；Td,in——进口温度，K；Td,out——出口温度，K；Tref——基准温度，K；cp,d——液体工质比热容，kJ/(kg·K)；hfg——蒸发潜热量，kJ/kg。2.2模型绘制及检验喷雾冷却范围内切于热沉表面时喷雾利用率最高，通过计算近似取得最佳喷雾距离为17 mm。模型底面为散热面，计算域为10 mm×10 mm×18 mm，铜板为固体域，其余部分为流体域，进行关联设置并对具体模型表面进行命名设置。对喷雾入口处以及被冷却物体上表面的网格进行优化设置，模型上表面从喷嘴口到模型四周进行过渡处理，在固体域厚度方向设置了均匀节点细化网格，并在模型高度方向设置相应的过渡网格，数值模拟模型如图2所示。为了确保数值模拟计算的准确性，进行网格质量检测，在确保计算可靠的前提下尽可能减小计算量，最终确定模型的网格数目为55 125个。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F002图2数值模拟模型2.3设置监测点热沉表面处于固体域和流体域的交界面，数值模拟计算中物性参数存在一定的随机性，故将监测点设定在液体与固体交界面下0.01 mm位置，在冷却固体模型中设定3个横向监测点，铜板厚度方向依据同样原则设定3个监测点。被冷却物体的监测点位置如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F003图3被冷却物体的监测点位置3结果与分析实验与数值计算过程中的环境条件与喷雾物性保持一致，环境温度和液态工质温度均为27 ℃，两相流喷嘴气压为0.3 MPa，液态冷却工质流量为3.6 L/h。3.1单一工况的温度分布与液膜分析监测点温度基本不变时，喷雾冷却系统达到动态平衡。冷却过程中各监控点的温度变化如图4所示。喷雾冷却过程所需时间为1.1 s，喷雾冷却过程中热沉表面温度变化趋势基本一致，距离热沉表面中心越近的位置温度越低；不同厚度方向监控点的温度变化趋势基本一致，越靠近热沉表面，温度越低。气液两相流喷雾冷却模型在冷却过程中局部温度差较低，具有较好的均匀冷却特性，可以减小芯片、航空电子仪器等精密设备的局部温度差，有效降低因局部温度过大造成设备损坏的概率。图4冷却过程中各监控点的温度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F4a1（a）热沉表面温度变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F4a2（b）纵向温度变化热流密度50 W/cm2、喷雾冷却1.1 s后热沉表面液膜厚度分布如图5所示。垂直于中心点处的液滴仅有竖直向下的运动速度，高速液滴在热沉表面中心点突然发生滞止，除部分飞溅液滴以外其余液滴在中心点处堆积，因此热沉表面中心位置的液膜较厚[10]。沿中心点向热沉表面四周分散，液膜厚度先减小后增加，因为高速喷雾粒子的扰动液膜厚度存在一定随机性。边缘部分喷雾流速较慢更易于液膜的形成，故热沉表面四个直角边及边缘部分的液膜较厚。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F005图5热流密度50 W/cm2、喷雾冷却1.1 s后热沉表面液膜厚度分布3.2热流密度对铜板底面中心温度的影响不同热流密度条件下热电偶温度变化曲线如图6所示。不同热流密度工况的温度变化曲线均呈现先上升后稳定的趋势。被冷却物体底面热流密度为20 W/cm2时，喷雾冷却稳定后底面中心处温度最低，随着热流密度增加，喷雾冷却稳定后底面中心处温度越高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F006图6不同热流密度条件下热电偶温度变化曲线实验与模拟计算误差如图7所示。不同供热量工况下数值模拟喷雾冷却稳定后物体底面中心点处的温度值与实验中所测温度值相比，整体误差较小，热流密度为90 W/cm2时，温差达到最大值4.64%，证明数值模拟计算的可靠性较高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F007图7实验与模拟计算误差3.3供热量对于喷雾冷却的影响控制喷雾冷却系统的气压、冷却介质流量、温度和距离不变，分别在被冷却物体底面设置20 W/cm2、30 W/cm2、40 W/cm2、50 W/cm2、60 W/cm2、70 W/cm2、80 W/cm2和90 W/cm2的恒定热流密度。喷雾冷却平衡时热沉表面温度分布如图8所示。热沉表面中心点受到较多液滴撞击强迫换热、相变换热能力增加，因此中心部分温度最低。热沉表面整体温度分布梯度较小，冷却较为均匀，距离中心点较近的部分液滴存在横向速度分量，撞击热沉表面后产生飞溅，且该处液膜较薄、受到液滴撞击扰动，加快了蒸发相变，因此该区域温度较低。锥形喷嘴液滴大多撞击在正方形热沉表面内切的圆区域，因此热沉表面边缘及直角附近温度最高。从中心点到边缘部分呈现升高的温度梯度分布。随着被冷却物体底部热流密度的增加，热沉表面的整体温度也随之增加。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F008图8喷雾冷却平衡时热沉表面温度分布不同热流密度工况条件下喷雾冷却平衡时热沉表面的温度和换热系数如图9所示。被冷却物体底面热流密度越大，喷雾冷却平衡时热沉表面温度越高；随着热流密度的增加，热沉表面平均温度上升的趋势逐渐变缓。热流密度为20~30 W/cm2时温度曲线上升趋势最大，平均温度提高6.3 ℃。被冷却物体底面热流密度达到20 W/cm2时热沉表面的温度最低，为35.6 ℃；热流密度为90 W/cm2时温度最高，为74.1 ℃。被冷却物体上表面的换热系数随其底面热流密度的提高而增加，且换热系数曲线的上升趋势逐渐减小。热流密度为20 W/cm2时，热沉表面换热系数保持在8 389.3 W/(m2∙K)；热流密度为90 W/cm2时，热沉表面换热系数保持在13 165.9 W/(m2∙K)。图9不同热流密度工况条件下喷雾冷却平衡时热沉表面的温度和换热系数10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F9a1（a）温度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F9a2（b）换热系数不同热流密度条件下热沉表面液膜厚度变化曲线如图10所示。液膜厚度随被冷却物体底面热流密度的增加而减小。底面热流密度值为20 W/cm2时，液膜厚度最厚；底面热流密度值为90 W/cm2时，液膜厚度最薄。改变被冷却物体底面热流密度对热沉表面上液膜厚度的影响较小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.006.F010图10不同热流密度条件下热沉表面液膜厚度变化曲线冷却过程中存在液膜蒸发现象，液滴的撞击与融合强化了液膜扰动，促进了相变换热[11]，且热沉表面上方的液膜越薄，表面蒸发强度越大[12]。两相流喷雾冷却系统中液滴运动速度较快，提高了液滴对于液膜的扰动并形成很薄的液膜，因此有效提高了冷却过程中液膜蒸发强度。被冷却物体热表面的温度随被冷却物体底面热流密度的提高而升高，热沉表面温度的提高促进了液滴与被冷却物体表面的强迫对流换热能力，也提高了热沉表面上液膜的蒸发换热量，底面的热流密度越大，喷雾冷却系统的换热效果越好。因此，该两相流喷雾冷却系统可应用于更高散热量场合，通过高效利用相变换热实现快速冷却的目的。4结语分别研究铜板厚度方向、热沉表面横向的3个监控点的温度变化曲线，验证了气液两相流喷雾冷却具有较好的均匀冷却能力。热流密度达到90 W/cm2时，实验与模拟结果的误差最大，误差值为4.64%。实验中，被加热物体底面中心点温度随物体底面热流密度值的增加而增加。被冷却物体上表面的平均温度随底面热流密度值的增大而升高，物体底面的热流密度为20 W/cm2时，热沉表面温度最低，为35.6 ℃；热沉表面换热系数随底面热流密度的增加而增大，被冷却物体底面热流密度为90 W/cm2时，热沉表面换热系数为13 165.9 W/(m2∙K)。