一種不利高過載誘發(fā)的噴霧冷卻表面液膜畸變的建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種不利高過載誘發(fā)的噴霧冷卻表面液膜畸變的建模方法。
【背景技術】
[0002] 噴霧冷卻作為一種高效的換熱方式，在航空航天領域的大功率電子系統(tǒng)中有十分 廣闊的應用前景。電子設備在機載環(huán)境下將面臨不同方向上的過載影響。以飛機為例，機 動飛行過程中所受載荷比水平直線穩(wěn)定飛行時大很多，而且飛機機動性要求越高，所承受 的過載也越大。飛機過載系數(shù)是指飛機所受除重力之外的外力總和與飛機重量之比，戰(zhàn)斗 機在俯沖時的過載系數(shù)可以達到9~10。機動飛行動作不同則所受的過載力大小和方向也 不相同。噴霧液滴撞擊熱源面后將在壁面上形成一層薄液膜，該液膜對噴霧冷卻的換熱性 能有重要作用。過載力的存在將會引發(fā)表面液膜畸變，改變液膜在熱源面上的分布和流動 形態(tài)，進而影響噴霧冷卻換熱效果。對于過載系數(shù)較大的高過載環(huán)境，這一作用效果將更為 嚴重，且有可能對換熱造成不利影響。因此，針對噴霧冷卻應用于航空航天領域的可行性， 有必要研究不利高過載對噴霧冷卻表面液膜畸變的影響。
[0003] 目前研究重力因素對噴霧冷卻性能的影響多以實驗方法為主，常用的方法有兩 種。一是利用飛機的拋物飛行，結(jié)合調(diào)整熱源面的朝向，為噴霧冷卻創(chuàng)造超重和失重環(huán)境。 二是利用落塔裝置實現(xiàn)微重力環(huán)境的模擬。兩種方法可以獲得的實驗時間很短，如飛機的 拋物飛行實驗約為20s，落塔實驗只有幾秒。相關實驗可以直觀地反映重力因素對噴霧冷卻 換熱的影響，但由于實驗時間很短且實驗條件有差異，實驗現(xiàn)象觀察不充分，結(jié)論存在不一 致性，不利于非常重力環(huán)境下噴霧冷卻換熱機理的研究。
[0004] 另一方面，針對噴霧冷卻換熱機理已開展大量的數(shù)值模擬研究，多以單個或有限 個液滴撞擊壁面或表面液膜的流動過程為研究對象，觀察不同初始條件對結(jié)果的影響。噴 霧冷卻是大量液滴源源不斷撞擊壁面后形成液膜的流動過程，有限個液滴撞擊并不能很好 反映出熱源表面液膜的形成和流動形態(tài)。目前較為常用的計算模型為VOF多相流動模型。 VOF模型多被用于計算常重力環(huán)境下的液滴撞擊熱源面問題，幾乎沒有被用于高過載環(huán)境。
[0005] VOF模型是一種多相流模型，通過求解單一的動量方程和追蹤控制體內(nèi)流體的體 積分數(shù)來模擬兩種或多種互不相融的流體的流動。當在模型中引入新的一相，則會加入該 相的體積分數(shù)作為新的變量，所有相的體積分數(shù)之和為1。若各相的體積分數(shù)已知，則所有 變量和屬性由各相共享且以均值來體現(xiàn)。
[0006] 質(zhì)量守丨旦方程：▽
[0007] 體積分數(shù)方程：

[0009] 物質(zhì)屬性方程：P = Σ a i p i CN 105117558 A 說明書 2/5 頁
[0012] 其中，$為速度，α為體積分數(shù)，t為時間，S為質(zhì)量源項，P為密度，m為質(zhì)量傳 遞，Φ為混合屬性，P為靜態(tài)壓力，μ為動力粘度，,為動力源項。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種不利高過載誘發(fā)的噴霧冷卻表面液膜畸變的 建模方法，其特征在于包括：提出過載加速度的模擬方法；建立噴霧狀態(tài)模擬方法；建立不 利高過載導致液膜堆積現(xiàn)象發(fā)生的判斷方法；建立不利高過載導致液膜破碎現(xiàn)象發(fā)生的判 斷方法。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種高過載環(huán)境下液膜畸變的確定方法，其特 征在于：
[0015] 提出過載加速度的模擬方法，在VOF多相流動模型中引入過載加速度，建立過載 環(huán)境下的VOF計算模型。
[0016] 建立噴霧狀態(tài)模擬方法，將噴霧模型簡化為多列液滴撞擊熱源面模型，以三個液 滴參數(shù)控制工質(zhì)流量和噴霧疏密程度；
[0017] 建立不利過載導致液膜堆積現(xiàn)象發(fā)生的判斷方法，通過對熱源壁面節(jié)點對應的液 膜厚度進行檢驗，判斷液膜堆積現(xiàn)象發(fā)生的位置；
[0018] 建立不利過載導致液膜破碎現(xiàn)象發(fā)生的判斷方法，通過對熱源壁面節(jié)點對應的液 膜厚度進行檢驗，判斷液膜斷裂現(xiàn)象發(fā)生的位置。
[0019] 說明書附圖
[0020] 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法的組成步驟。
[0021] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的模型實例。
[0022] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴霧狀態(tài)簡化圖。
[0023] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的不利過載導致液膜堆積現(xiàn)象發(fā)生的判斷流程。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明提供了一種不利高過載誘發(fā)的噴霧冷卻表面液膜畸變的建模方法，解決實 驗條件限制導致的實驗時間過短及現(xiàn)象觀察不充分等問題，對常重力條件下的VOF模型加 以修正，建立過載條件下的計算模型，并以液膜堆積和破碎的判斷方法為依據(jù)，確定不利過 載引發(fā)液膜畸變現(xiàn)象發(fā)生的位置，研究過載影響。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，建立了過載條件下的數(shù)值計算模型；對噴霧狀態(tài)進行模 擬，其中對噴霧模型進行了簡化，以三個液滴參數(shù)控制工質(zhì)流量和噴霧疏密程度；對液膜畸 變現(xiàn)象發(fā)生進行判斷，確定在一定過載條件和噴霧狀態(tài)下，液膜堆積和破裂現(xiàn)象發(fā)生的位 置。
[0026] 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種不利高過載誘發(fā)的噴霧冷卻表面液 膜畸變的建模方法，包括：
[0027] (1)建立過載環(huán)境下的算法模型
[0028] 以常重力環(huán)境下的VOF模型為基礎，將參考系建立在水平加速運動的熱源面上， 引入平移慣性力，建立過載環(huán)境下的算法模型。確定計算區(qū)域，進行時間及空間上的網(wǎng)格劃 分，設置邊界條件。（圖1的步驟101)
[0029] (2)對噴霧狀態(tài)進行模擬
[0030] 將噴霧模型簡化為多列液滴撞擊壁面模型。以液滴直徑、液滴速度和液滴間距為 描述噴霧狀態(tài)的三個重要參數(shù)，控制工質(zhì)流量和噴霧疏密程度。（圖1的步驟102)
[0031] (3)判斷液膜畸變
[0032] 根據(jù)計算的液膜厚度，判斷液膜畸變，確定由不利高過載引發(fā)的液膜堆積和破裂 現(xiàn)象發(fā)生的位置。（圖1的步驟103)
[0033] 下面結(jié)合二維實例介紹本發(fā)明研究液膜畸變方法的具體實施步驟。如圖2所示， 計算區(qū)域?qū)挾葹?〇_，高度為5_，空間步長Δ X和Δ y均為〇. 1_，網(wǎng)格數(shù)量為5 X IO3個。 左右兩端為壓力出口，頂端為壓力入口，底部為熱源面壁面。邊界大氣壓力為〇· IMPa，溫度 為27°C?？諝鉃橹飨?，液態(tài)水為第二相，水的表面張力系數(shù)為0. 073N/m，水與壁面的靜態(tài)接 觸角為90°。
[0034] (1)過載環(huán)境下算法模型的建立
[0035] 在地面慣性系中熱源面以加速度a。運動，將坐標系建立在熱源壁面上，則確定了 一個非慣性系。在此非慣性系中引入慣性加速度a，其大小與a。相等，方向與a。相反。據(jù) 此，液滴撞擊以加速度a。運動的熱源面問題，轉(zhuǎn)換為了處于慣性力場a中的液滴撞擊固定 熱源面問題。
[0037] 過載環(huán)境下VOF模型中的動量方程變?yōu)槿缦滦问?br>[0039] 其中P為密度；
[0040] μ為動力粘度；
[0041] 交為速度；
[0042] t為時間；
[0043] P為靜態(tài)壓力；
[0044] f為重力加速度；
[0045] 5為引入的慣性加速度；
[0046] J5為表面張力產(chǎn)生的動量源相。
[0047] (2)模擬噴霧狀態(tài)
[0048] 噴霧狀態(tài)直接影響液膜在表面上的流動形態(tài)，與多個參數(shù)有關。根據(jù)本發(fā)明的一 個實施例，將噴霧簡化為多列液滴撞擊熱源面問題，對于某一噴霧狀態(tài)，假設所有液滴直 徑、液滴間距和液滴速度固定，且液滴撞擊熱源面時的速度垂直于熱源面，如圖3所示。其 中，噴霧過程中液滴源源不斷以一定初始條件撞擊熱源面。把液