喷雾冷却是一种新兴的高效散热技术,其工质利用率高、散热能力强,有望解决大功率电子设备的散热问题。国内外学者已对喷雾冷却进行了较多研究,并将喷雾冷却传热过程分为非沸腾区和沸腾区。相比于非沸腾区,沸腾区有着更高的热流密度,并且标志最强换热能力的临界热流密度存在于沸腾区,因此,沸腾区喷雾冷却传热特性更应成为研究的重点。针对沸腾区传热机理研究和传热强化探索较少的现状,本文采用试验与模型相结合的研究方法,通过试验分析数据和液膜形态、模型模拟假想工况,明确喷雾冷却沸腾传热强化机理,并基于得出的传热强化机理加工新型喷嘴,进一步探究喷雾冷却沸腾传热强化手段。本文主要内容及结论如下:1.构建了试验系统,能开展喷雾冷却沸腾传热和薄液膜沸腾传热试验。试验系统由喷雾装置、模拟热源、数据采集系统等几部分构成;替换微细雾化喷嘴为大口径直流喷嘴,即可满足薄液膜沸腾传热试验要求;叙述了试验内容、试验步骤及注意事项;把平均热流密度选为反映沸腾传热强弱的评判参数,简单说明了如何运用试验数据计算得出平均热流密度,分析表明热流密度误差为±1.29%。2.薄液膜沸腾和喷雾冷却沸腾对比试验显示,喷雾冷却沸腾传热性能明显强于薄液膜沸腾传热,当流量为50mL/min、过热度为20K时,喷雾冷却的热流密度高出了 57%。观察两种沸腾传热过程的液膜形态发现,有喷雾强烈冲击情形时,热表面形成了极薄的液膜,加剧了表面汽泡的脱离和破裂,是喷雾冷却沸腾传热强的主要原因。3.通过调整喷雾流量、喷嘴高度、表面结构,研究了液膜分布特性对喷雾冷却沸腾传热的影响规律。试验表明,喷雾流量增大,雾滴冲击增强,液膜内部汽泡直径越小,表面液膜越薄,使得传热性能提升;喷嘴的最佳高度为4mm,此时热表面上的液膜分布更加均匀,能使更多的液体参与沸腾传热,因而强化了传热性能;辐射槽面可使更多的液膜覆盖热表面,所以当流量为50mL/min、过热度20K时,槽面的热流密度比光面增大约40%。所有试验结果证实,液膜分布特性对喷雾冷却沸腾传热有较大影响。4.喷雾冷却沸腾传热中,热表面由中心向外可分为三个区域:干涸区、蒸发区、沸腾区。不同区域传热方式不同,中心干涸区以热辐射和自然对流传热为主,蒸发区以薄液膜蒸发和强制对流传热为主,沸腾区以核态沸腾和强制对流传热为主。基于池沸腾理论、蒸发理论和辐射理论,分别建立了各区域的传热计算方程,耦合建立了喷雾冷却沸腾传热模型。利用试验数据对模型结果进行了验证,误差均在10%以内,证明了模型计算结果可靠。5.运用喷雾冷却沸腾传热模型,计算了液膜厚度和三区占比对传热性能的影响,模拟显示薄液膜均匀覆盖热表面,能极大提升喷雾冷却沸腾传热能力。基于试验与模型的研究结果,设计加工了新型微孔阵列喷嘴,新型喷嘴试验表明,该喷嘴不仅消除了热表面的干涸区,而且实现了加热面上的液膜均匀覆盖设想,当过热度为20K、流量为50mL/min时,比商用喷嘴的热流密度提升了16%,证明了传热强化方向的正确性。喷雾冷却沸腾传热中,雾滴冲击热表面汇集成薄液膜,薄液膜和雾滴击打破坏了汽泡长大合并,加快了汽泡生成和破裂频率,是喷雾沸腾传热能力强的根本原因。商用旋流雾化喷嘴,形成的液膜在表面上分布极为不均,严重削弱了表面利用率,制约了喷雾冷却沸腾传热进一步提升。因此,开发新型雾化喷嘴,实现热表面液膜均匀覆盖,是喷雾冷却沸腾传热强化的较好方向。