随着飞行器机动性能、隐身性能、防御性能要求的不断提高,高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展。定向能武器作为下一代战机的标配,是亟需攻克的关键技术壁垒之一。定向能武器在发射瞬间几秒内会产生兆瓦级的热量,导致其表面产生数百甚至数千W/cm2的热流密度,其快速散热问题引起了研究者的高度关注。如何高效、可靠地实现机载定向能武器的快速散热,已成为定向能武器发展的关键,对于提升我国下一代战机的作战能力具有重要的研究意义。喷雾冷却技术因其高换热系数、无沸腾滞后性和更均匀的表面温度等优点在机载定向能武器冷却领域具有很大应用潜力。本文通过搭建以R22为冷却介质的机载闭式喷雾冷却实验台,考察了喷嘴类型、喷雾高度、加热功率、冷却介质流量和冷却介质充注量对喷雾冷却传热性能的影响,分析了喷雾冷却系统的运行状态,并在无量纲关联式和数值模拟方面进行理论研究,得到适用于机载高功率武器喷雾冷却的通用模型,为机载喷雾冷却系统的实际应用提供实验与理论支撑。本文主要研究内容如下:(1)喷雾冷却流动传热特性的数值分析基于VOF模型建立了液滴撞击热沉表面及其传热模型,基于DPM模型建立了整体喷雾流动模型,研究过载工况、液滴特性和多喷嘴喷雾对喷雾冷却传热流动特性的影响。研究结果表明,过载加速度对喷雾冷却性能的影响较小;双喷嘴喷雾时的液膜分布较之单喷嘴喷雾更为均匀;增大液滴速度和液滴直径,减小液滴间距、液滴温度和液膜厚度可增强喷雾冷却的换热效果。(2)以R22为冷却介质的喷雾冷却特性研究研究了喷嘴类型、喷雾高度、喷雾流量、加热功率和制冷剂充注量对换热性能的影响。首先对比分析了三种不同规格喷嘴在不同加热功率下的冷却性能,获得了1/8GG-SS1、1/8GG-SS1.5、1/8GG-SS3002.5型喷嘴的最优高度。以优选的1/8GG-SS1.5型喷嘴为对象,研究了喷雾流量和制冷剂充注量的影响。研究结果表明,喷雾流量的升高提升了参与换热的液滴数目,从而提升了传热性能;其余参数不变时,喷雾冷却热流密度、表面温度和传热系数均随加热功率的增加而增加;充注量的升高同时增加了参与换热的冷却介质流量和喷雾腔压力,故传热系数上升,表面温度却并未下降。基于上述实验数据,从无量纲数角度分析了喷雾冷却参数的变化趋势。结果表明We、Re、Ja和?随流量的变化均促进了传热系数的增加;充注压力小于0.55MPa时,主要是Re、Ja和?随充注量的变化促进传热系数的增加;充注压力大于0.55MPa时,We、Re、Ja和?随充注量的变化均促进了表面传热系数的提高。最后将实验结果与使用水作为冷却介质的实验结果对比,得出二者的适用范围为:当加热小于1000W,且能够利用沸腾换热精确控制表面温度时R22作为冷却介质更为合适;当加热功率大于1000W,且条件允许的冷却介质流量较大时,使用水作为冷却介质更为合适。(3)喷雾冷却临界状态及失效过程研究选择充注压力为0.35MPa、0.40MPa、0.45MPa、0.50MPa、0.55MPa、0.60MPa、0.65MPa和0.70MPa,考察不同充注压力下表面达到临界状态时的换热性能。热流密度达到临界热流密度后传热性能迅速恶化,表面温度迅速升高至200℃以上,表面传热系数均迅速降低至0.17-0.22W/(cm?K)。进一步研究表明,喷雾冷却传热失效后,降低表面热流密度,表面的沸腾换热能力恢复,传热系数迅速升高。由此可以推断,临界状态时热沉表面形成了稳定的气膜,隔绝了液滴与热沉表面。此外,从无量纲参数角度分析了喷雾冷却的失效原因。研究表明,沸腾换热阶段传热系数的升高主要是由Re的迅速上升而引起,随着Re的上升速度降低,雅可比数Ja和无量纲温度?开始成为主要影响因素,综合作用导致传热系数缓慢下降。达到临界热流密度后,We、Re、Ja和?的迅速变化综合导致了传热系数急剧下降。与之相对的是失效后降低热流密度的过程中Ja的降低与?的升高是沸腾换热能力恢复的关键影响因素。(4)系统参数影响及系统运行状态研究研究了系统参数如冷凝器过冷度、压缩机入口过热度、冷凝器后旁通量对喷雾冷却性能的影响,并对系统整体运行工况进行了分析。研究结果表明,过冷度降低可提升喷雾冷却性能,但对于相变换热影响不大;过热度对喷雾冷却性能基本无影响;旁通支路的打开会降低喷雾冷却效果。系统充注压力大于0.70MPa时,随着喷雾腔内压力的升高,喷嘴节流降温效果消失,对系统运行和喷雾冷却性能均是不利的;随着充注量的增大,系统蒸发温度和冷凝温度逐渐升高,但提高的幅度逐渐减小;过冷度逐渐增大,过热度逐渐减小;COP先升高再降低,在充注压力0.60MPa时最高,为7.974。充注压力为0.55MPa时,COP为7.776,临界热流密度为157.6W/cm2,略小于最大临界热流密度162.3 W/cm2,此时系统性能最为均衡。(5)沸腾换热和失效阶段无量纲关联式研究总结实验数据,定义了影响喷雾冷却换热性能的4个无量纲参数,分别为雷诺数Re、韦伯数We、雅可比数Ja和无量纲温度?,在此基础上编程计算得到了适用于沸腾换热和临界后失效状态的无量纲关联式。拟合过程中分析了各无量纲数对关联式精度的影响,得出在沸腾换热阶段,韦伯数We的影响不可忽略;雅可比数Ja较之无量纲温度?更适合用来反映沸腾换热阶段流体和表面的温度变化;在过临界失效阶段韦伯数We对传热性能起主导作用。