喷雾冷却仿真
理论：让液滴蒸发带走热量
概述
喷雾冷却与直接浇水冷却有什么不同？
用水流冷却时，主要靠水升温的部分（显热）带走热量。喷雾冷却把细小液滴喷到表面上就地蒸发，以潜热带走热量。水的汽化热是使水升温1 K所需热量的500倍以上，同样的水能带走多得多的热量。代价是要考虑的事情多：液滴大小和速度、撞击表面时铺展还是飞溅、表面是否过热形成蒸汽膜（莱顿弗罗斯特现象）等。我们来计算基本量。
所需水量
上式为以完全蒸发输送热流密度 $q''$ 所需的最小水量，下式为与升温 $\Delta T_{1\phi}$ 的单相冷却相比的水量之比。
液滴寿命（d²定律）
液滴直径的平方随时间线性减小。$B$ 为传递数，周围气体越热越大。寿命与直径平方成正比，直径减为三分之一寿命就变为九分之一。
撞击是否飞溅
液滴撞击壁面时，要么铺展附着，要么飞溅。Mundo等人的实验中，$K$ 超过57.7时发生飞溅。
莱顿弗罗斯特的水滴
往热锅里滴水，稍热时水马上蒸发，很热时水滴却成珠滚动，久久不蒸发。这是德国医生莱顿弗罗斯特于1756年记录的现象，水滴下形成蒸汽膜，热量难以传递。喷雾冷却和淬火中，表面过热就会进入这种状态，冷却能力大幅下降。表面温度降到莱顿弗罗斯特点以下后，液滴润湿表面，冷却突然加快。
算例
例1：带走1 MW/m²所需水量
| 冷却方式 | 水量（每m²） | 每1 cm²（100 W） |
|---|---|---|
| 完全蒸发（从25℃） | 0.39 kg/s | 2.3 mL/分 |
| 单相升温20 K | 12.0 kg/s | 72 mL/分 |
完全蒸发时，带走热量的88%是潜热，所需水量为单相冷却的三十一分之一。
例2：500℃气体中液滴寿命
| 初始直径 | 蒸发完所需时间 |
|---|---|
| 10 µm | 1.6 ms |
| 30 µm | 15 ms |
| 100 µm | 160 ms |
| 300 µm | 1.5 s |
例3：液滴撞击（水、25℃）
| 直径·速度 | We | Re | K | 判定 |
|---|---|---|---|---|
| 30 µm, 10 m/s | 42 | 336 | 28 | 铺展 |
| 30 µm, 30 m/s | 374 | 1,008 | 109 | 飞溅 |
| 100 µm, 10 m/s | 138 | 1,120 | 68 | 飞溅 |
| 100 µm, 30 m/s | 1,246 | 3,361 | 269 | 飞溅 |
我以为液滴越小越快越好，原来太快会飞溅。
小液滴蒸发快，能细密地覆盖表面，比较有利。速度能搅动液膜、帮助蒸汽逸出和传热。但太快的话液滴会在表面碎裂飞溅，蒸发前就离开表面：30 µm时10 m/s能铺展，30 m/s就飞溅；100 µm时10 m/s也会飞溅。而且太小的液滴可能被表面附近的蒸汽流推回而到不了。喷嘴的选择取决于液滴大小与速度的平衡。
仿真方法
- 液滴用拉格朗日粒子追踪，与气流交换动量、热量和质量。
- 按实测或喷嘴规格给定液滴粒径分布（如索特平均直径）和速度。
- 根据表面温度切换壁面撞击模型（附着、铺展、飞溅、反弹）。
- 高于莱顿弗罗斯特点时，要考虑形成的是蒸汽膜而非液膜。
- 与被冷却固体的导热耦合，追踪冷却形态随表面温度的变化。
“本该冷却的钢板冷不下来”
热轧生产线上，用喷雾向900℃的钢板喷水冷却时，起初温度下降不如预期，过了某个温度后突然开始快速冷却。高温时液滴不润湿钢板，而在蒸汽膜上弹跳，冷却能力低；过了莱顿弗罗斯特点，液滴润湿表面，冷却骤增。这一转变在板上各处时刻不一致时产生温度不均，导致板翘曲、材质波动。后来在确定水量和喷嘴布置时都考虑这一转变。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 换热系数设为常数 | 随温度偏差大 | 按温度改变冷却形态 |
| 忽略莱顿弗罗斯特 | 高温时高估冷却 | 考虑蒸汽膜状态 |
| 液滴径取单一值 | 蒸发与到达算错 | 给定粒径分布 |
| 忽略飞溅 | 高估冷却 | 使用撞击模型 |
| 不求解气流 | 液滴轨迹算错 | 与气流耦合 |
我想了解相关内容。
详细
报告