文 献 综 述

1.1研究背景

本课题研究的内容是氨水在平口喷嘴内特性的数值模拟。随着高新技术的发展，喷雾冷却不断高速发展，从最初应用于工业加工、切削以及工业循环水冷却，到现在不断向微型化的方向发展。喷雾冷却逐渐由于微电子技术的冷却，在换热冷却领域具有重要的研究意义。氨水作为一种常用的化学用剂，具有挥发性、腐蚀性、弱碱性以及不稳定性等，在军用上通常作为一种消毒剂，在工业上一般作为催化剂或者合成剂，可以帮助工业尾气脱硫，做为冷却剂提高冷却换热量。平口喷嘴是最早应用的喷嘴形式，平口喷嘴结构简单可以有效喷射液滴达到增加冷却剂换热面积的效果。通过数值模拟可以有效提高研究效率，节约实验成本，对研究喷雾冷却具有重要的意义，是一种非常实用的研究手段。

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1.2喷雾冷却的研究现状

最初提出喷雾冷却这个概念在1989年，S.C.YAO教授与美国纽约在国际传热会议上提出。喷雾冷却即是通过把流体雾化成细小的液滴，提高换热的面积，增加冷却换热量。喷雾冷却最初主要应用于重工业领域，如常见的钢铁切削加工的冷却、冷却塔中循环水的应用以及灭火发面等等，目前随着高新材料的兴起、发展，喷淋冷却在微电子行业大放异彩，在各个领域应用越来越广泛。

电子技术的高速发展带动了喷雾冷却领域，通过数值模拟等辅助运算，可以有效帮助对于整个喷雾冷却过程的研究，达到简化实验过程的目的。#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;

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#160;#160;#160; 1.3喷雾冷却的换热机理

喷雾冷却：通常利用喷嘴喷口喷射，使液体受到一定压力，在喷射过程破碎，有液体变为细小的液滴，从而大大增加了冷却剂的表面积，达到了增加换热量的效果。喷雾冷却按换热机理可以分为无沸腾区换热和核态沸腾换热。

无沸腾区的换热机：在不同区域的对流区域，会存在不同的温度场。当该温差场的温度低于液体工质蒸发的温度时，工质流体会产生液膜而不会直径蒸发，导致液膜不断向两边扩张，所以液膜中间薄而两边厚。不同液膜厚度的区域热阻不同，导致喷淋冷却的传热比重不一样[7]。

沸腾区的换热机理：当区域的温度大于工质流体的沸腾温度时，该区域的液体工质会进入沸腾，不断蒸发生成气泡，大气泡再破碎成小的气泡，大大的提高了换热效率，使传热得到了增强。

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1.4常用喷嘴

平口喷嘴：一种最简单最常见的喷嘴，具有结构简单实用的特点。但是内部机理却是非常复杂的，按照工作区间通常可以分为：单相区、空穴区以及回流区。不同工作区间会产生不同的喷雾状态，决定了喷嘴出口处液滴的速度、初始颗粒的大小以及液滴的分散角。

转杯喷嘴：转杯喷嘴一般由电动机驱动，通过旋转的中心轴带动叶扇的转动，喷射的液体受到离心力的作用最后液滴。

压力-旋流雾化喷嘴：流体通过旋流片的喷头进入中心旋流室，在整个喷射过程中，流体受到壁面挤压形成空气柱，分为三个步骤#8212;液膜形成、液膜破碎以及雾滴形成。

空气辅助雾化喷嘴：与常见的喷嘴一样，不过在原来喷嘴的基础上添加空气辅助装置，通过空气撞击液膜，促使液体破碎形成细小的液滴。具有高效的特点，应用越来越广泛。

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1.4氨水的物化特性以及在喷雾冷却中的应用

氨水作为一种常见的化工用剂，用途广泛。具有挥发性、腐蚀性、弱碱性、不稳定性、沉淀性、还原性以及氧化性等。在军用上通常作为消毒剂使用，具有快捷、见效快等特点。在医学上通常作为皮肤刺激药以及消毒剂，同时也可作为洗调剂、中和剂等用于制药。在工业上的用途也十分广泛，可以做为大规模电子集线路减压、作为脱硫剂除去工业尾气排放中的硫化物。

在喷淋冷却领域，氨水是一种良好的吸收剂。氨水具有具有良好的氧化性，可以除去工质中多余杂质，同时是一种性质稳定的冷却剂，具有良好的冷却效果。可以运用到喷淋冷却的许多领域，如常见的洗涤塔会选择氨水作为吸收剂，在降低工质温度的同时可以吸收其中所含有的硫化物。

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1.6面临问题

氨水在洗涤塔的应用问题：氨水虽然是一种良好的吸收剂，能够有效增加喷淋冷却换热量，但是在实际应用中会产生许多问题。氨水具有较强的腐蚀性，会对壁面造成极大的损伤，需要在壁面设置保护层。同时氨水具有吸收硫化物的特点，在循环过程易结渣，需要设置专门的排渣口。氨水的浓度也是一个非常重要的问题，在实际应用中需要考虑许多因素避免造成一系列问题。

喷嘴结构的设计：不同喷嘴的结构设计有很大的差别，如常见的平口喷嘴、压力旋流喷嘴等等。喷嘴的喷口宽度、喷嘴的离散角、半顶角等会对喷淋效果造成直接的影响，如喷淋的覆盖率以及喷淋冷却换热量。

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1.7数值模拟

随着电子技术的发展，计算机技术不断变革，计算处理能力不断增强，对数据的处理分析的作用越来越明显。数值模拟是建立计算机技术基础上的一种模拟手段，通过计算机建模构建相关方程式和方程组，确定整个模拟的初始条件以及边界条件，通过离散化求解对模拟的数值进行计算分析得到相关结果。在本次课题研究过程中，利用软件ANSYS15对喷淋冷却过程进行模拟，通过ANSYS15构建模型然后划分网格，最后通过FLUENT软件对设定的条件进行计算得到结论，进行分析。

数值在很大程度上依赖电脑计算的发展，超强的运算能力可以大幅度减少模拟运算的时间，因此数值模拟技术的发展在很大程度上受到硬件水平的制约。在本课题中，必须把数值模拟计算运用到喷淋冷却领域中去。按照要求选择的是平口喷嘴，通过设定喷嘴类型为平口，选择吸收剂为氨水，设定整个喷射模拟的边界条件，如喷口宽度、质量流量、 分散角等。利用数值模拟，作为一种重要且快捷的辅助手段进行模拟实验，从而了解氨水在平口喷嘴内喷射的特性。

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1.8应用展望

喷淋冷却作为一种新兴的技术，具有重大的发展潜力。喷淋冷却最初应用于重工业，技术不断变革逐渐运用于各个领域。通过不断改变喷淋冷却的喷嘴，喷射的吸收液，以及反应容器等等。可以不断提高喷淋冷却的换热量，提高冷却效率，也可以按照不同需求改变喷淋覆盖范围满足特定需求。喷淋冷却在材料方面有巨大的潜力，可以和纳米材料相结合，利用纳米流体粘度高等特性解决一些特定问题，但是也有很大问题需要解决；喷淋冷却换热效率高，随着电子集成线路越来越小，对散热的需求越来越迫切，喷淋冷却换热是一种非常值得利用的换热手段，在未来可以把一系列喷淋冷却的设备放入智能设备中，如在智能手机中植入喷淋冷却换热循环，可以有效解决智能手机散热困难的问题。但是对于喷淋冷却的设备要求也面临极大的挑战，需要做到设备体积缩小化、稳定化、效率高的特性；在其他领域，如电除尘、灭火、传统工业制冷等领域，喷淋冷却还具有重大潜力，通过不断的研究、探索去发展喷淋冷却技术。

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1.9研究意义

本课题的主题是研究氨水在平口喷嘴内特性的数值模拟。常用冷却的方法有许多，如自然风冷、强迫风冷、池沸腾等等，而喷淋冷却是一种不可替代的换热冷却方法，它具有高效、覆盖范围广、可以循环等特点，是新时代换热降温领域的宠儿。在本课题中，同时选择氨水做为整个循环的吸收液，氨水具有脱硫除尘、换热效率高的特点，是洗涤塔常用的吸收液。在喷射设置中，布置平口喷嘴做为喷射喷嘴，平口喷嘴结构简单却运行过程复杂，通过对工作区间的划分可以有效改变喷射液体的颗粒直径、覆盖范围等。

通过数值模拟研究氨水在喷口喷嘴内的特性，对于一个本科生可以在实验过程中可以了解数值模拟过程，通过模拟可以得到在不同边界或初始条件下洗涤塔设备的温度场以及流场，对比温度场和流场等参数的变化，可以得到在改变边界条件下对于喷射过程的影响。如使用对照变量的方法，在固定其他参数不变的情况下，只改变一个参数，从而研究在该参数变动后对喷淋的影响。当然数值模拟只是一种辅助手段，在实际研究需要考虑许多切实的问题，而数值模拟构建的模型缺乏实际的考量，因此在整个模拟过程要正确设置初始条件，尽可能的排除一些不必要的干扰。

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