1、液滴閃蒸的研究及閃蒸噴霧的研究與展望摘要：對液滴降壓蒸發過程的實驗研究主要采用兩種方法：1射流方法，將液 體噴射至低壓環境，這種方法可以對較小直徑的液滴進行實驗， 沒有懸掛材料的 影響，同時采用射流的方法可以使液滴周圍環境壓力驟降，但這種實驗的方法和技巧比擬困難，難以追蹤和捕捉單個液滴的溫度變化。2液滴懸掛法，其中用于懸掛液滴的材料有石英絲和熱電偶，使用熱電偶可以測量液滴本身的溫度變 化，也能使用一些測量手段了解液滴周圍流場情況。液滴懸掛法相對容易實現， 但由于懸掛液滴材料本身的體積影響， 液滴尺寸通常較大。在液滴降壓蒸發過程 中，由于液滴對懸掛材料的外表張力， 會使液滴發生變形，尤其是有氣泡

2、逸出和 凝固現象發生時，熱電偶結點位置很難維持不變。另外，采用液滴懸掛法，液滴 周圍的環境壓力很難迅速下降至預定低壓狀況， 而是在一定時間內環境壓力逐漸 下降，引起液滴周圍流場的變化。關鍵詞：液滴降壓蒸發；閃蒸；射流方法；液滴懸掛法；閃蒸噴霧1研究背景看看隨著載人航天科學技術的開展， 航天員出艙活動越來越頻繁，出艙活動 時間也越來越長，對艙外航天服的設計提出了更高要求。 太空環境非常惡劣：高 真空、強輻射并且溫度變化劇烈，艙外航天服保護航天員不受宇宙空間惡劣環境 的影響，為航天員提供賴以生存的環境， 是保證航天員平安、有效完成出艙活動 的重要裝備。艙外航天服設計復雜，其中熱控系統是艙外航天服生

3、命保障系統的 一個重要組成局部。其主要作用是排除航天服內的多余熱量， 包括航天員自身生 理產熱、系統設備產熱以及來自外部環境的熱負荷等， 從而保障航天員的熱舒適 性。利用質量傳遞機理設計的系統：水升華器，其主要工作原理是利用太空中的 高真空環境，通過蒸發或升華一種消耗性物質目前多數使用水進入太空，利 用該物質的相變潛熱，來為宇航員提供冷卻。與其他幾種熱控方案相比，水升華 器體積最小，重量最輕，性能穩定，在失重和熱負荷變化的條件下能可靠工作。因此水升華器是目前艙外航天服主要采用的熱控方案。上世紀六十年代，美國的阿波羅方案中，水升華器得到第一次實際應用，之后俄羅斯使用的Orlan航天服 和我國航天

4、員翟志剛身著的“飛天艙外航天服的熱控系統均采用了水升華器。 研究液體在真空環境下發生蒸發、凝固和升華一系列相變過程，了解傳熱傳質機 理，對水升華器的優化設計和可靠工作具有重要的指導意義。此外載人飛船和液體火箭在太空飛行過程中， 都有液體向太空排放問題。因 為太空中環境壓力極低，排放的液體在降壓過程中會發生蒸發、凝固和升華一系 列相變過程。如果凝固的液體阻塞排放管，將影響火箭的二次點火，對載人飛船 來說將惡化宇航員空中生活質量。在太空液體排放過程中，排放的液體不光是水， 更多的是溶液和混合物如汗液、尿液、剩余燃料等多組分介質，因此研究多 組分液滴降壓過程中發生蒸發、凝固和升華等一系列相變過程有助

5、于深入研究太 空液體排放問題，對太空排放設計計算有重要的意義。2射流方法采用射流方法噴水制冰，自上個世紀六十年代已應用于人工造雪。 將水注入 專用噴嘴，在那里接觸高壓空氣，高壓空氣將水流分割成微小的粒子并噴入寒冷的外部空氣中，在落到地面以前這些小水滴凝結成冰晶。Chen 1和Yao 2等人 對該系統的傳熱傳質過程進行了分析， 在此根底上，Jamed3計算了采用噴水制 冰法進行人工造雪的結冰效率，并分析了環境溫度和液滴尺寸的影響。Shin 4和Kim 5采用將水噴射進真空蒸發罐的方法，研究了冰粒子形成的條 件。實驗中真空罐壓力133 Pa - 611 Pa,選用不同的噴頭使液滴沙得直徑 SMD,

6、 Sauter MeanDiameter在50 - 300pm范圍內，將熱電偶置于噴頭下方不同位置 處，獲得溫度隨時間的變化。通過將水連續不斷的向真空罐中噴射， 實驗觀察到 冰粒子的形成，得到了相同初始溫度和粒徑的液滴，隨著環境壓力的降低，最低溫度也隨之降低的結論，并指出系統效率受射流速度影響。還有一些學者對水噴射至低壓環境下的破碎過程、閃蒸及相變情況進行了 研究。當液體突然從管道中噴射至低壓環境下，由于巨大的壓差，液體快速蒸發閃蒸，在這個過程中射流會破碎。首先想到利用閃蒸現象改善噴霧、并加以 研究的是Brown 6,其研究結果說明：閃蒸噴霧可以明顯改善霧化，它需要的是 高溫。Fuchs 7對

7、影響射流的參數如噴嘴的形狀、射流溫度、氣體含量進行了研 究，認為在一定的實驗條件下，射流離開噴嘴的出口突然爆裂成液滴和冰粒子， 這種現象可以用水的突然沸騰爆裂來解釋，水的突然沸騰是壓力突然降低造成 的，外表張力又造成水的爆裂延遲。同時在實驗中發現射流隨溫度的增高射流角 度增加，相同溫度下隨排放管徑的增大，射流出口形成角度也增加。Peter網對過熱液體噴射至低壓環境中發生閃蒸和破碎的現象進行了研究，將其分為四種形態：不發生破碎的液體射流，局部液體破碎的液體射流，完全破碎 射流和突然閃蒸，如圖1-1所示。這四種形態的發生與噴嘴尺寸和內外表粗糙度， 進口水溫，流速，真空環境壓力，以及噴嘴出口處的氣泡

8、份額等因素有關。不破碎的液體射流：液體在噴嘴出口一定距離后仍維持圓柱型，伴隨著一些零星的液體平行于主流方向下落。這種情況通常發生于液體過熱度較低的情況。局部破碎的液體射流：液體破碎發生在噴射出的柱狀流體外層， 中心流體仍 然維持圓柱狀。此情形的液體過熱度略高于不破碎的情況。完全破碎的液體射流：隨著進口液體過熱度的繼續升高，會出現液體完全破 碎的情況。這種情況下，完全破碎的液體射流發生在噴嘴出口下方一定距離處。 突然閃蒸：當液體的過熱度非常大，環境壓力極低的情況下，會發生突然閃蒸的 情況。這種情況下，液體在噴嘴出口處破碎，射流角度比以上幾種情況都大。Peter還通過將熱電偶置于不同位置，研究了液

9、體沿射流軸向和徑向的溫度 分布情況。不破碎局部破碎完全破碎突然閃蒸圖1-1液體射流的形態Miyatake 9對過熱液體噴射至低壓環境發生的噴霧閃蒸過程進行了實驗研究，在射流入口溫度 60 o C的條件下，研究了過熱度、射流速度和噴嘴直徑的 影響。實驗結果顯示液體過熱度越大4T，射流過程中溫度下降越快，并給出了預測液體溫度變化的經驗公式：(We/ Re1/8)exp( A T /35) 24 1-1El-Fiqi 10也對過熱水在低壓環境下射流發生閃蒸的過程進行了實驗研究。實驗中使用的圓形噴嘴直徑小于 0.4 mm,液體初始溫度為40-70 o C,真空壓力 為60-250 mbar,給水流量為

10、4-15 kg h -1。文章定義閃蒸效率”=(Tn-Tout) / (T in - Tsat ),實驗得到了液體過熱度，給水流量，給水溫度，真空度和閃蒸效率之 間的關系，并指出閃蒸效率和閃蒸蒸汽量隨液體過熱度的增大而增大，且閃蒸蒸汽量與液體過熱度成正比關系。此外，噴霧制冷還應用于激光治療中對人體皮膚進行冷卻。Aguilar 11,12采用制冷劑R134進行了噴霧實驗，研究了噴射時間對傳熱過程的影響，并且應 用Ranz &Marshall 13,14提出的半經驗關聯式，考慮液滴運動過程對流效應，建 立了單個液滴蒸發模型，在其實驗參數范圍內對液滴尺寸、 速度、溫度等參數隨 噴霧距離的變化做出了預

11、測。但是該文章中還存在以下幾點問題：1建立的單 液滴蒸發模型，未考慮液滴碰撞的相互影響；2制冷劑物性參數取為定值，沒 有考慮隨溫度變化的影響；3僅從能量守恒的角度，考慮了蒸發過程的傳熱傳 質以及液滴運動的影響。而實際制冷劑從噴嘴噴出的瞬間與周圍環境存在較大的 壓差，伴隨液滴劇烈蒸發的非平衡蒸發過程沒有考慮。我國學者吳楚15采用PDA測量技術研究了水閃蒸噴霧過程中，壓力、溫度 對噴霧特性包括霧束形狀、液滴平均直徑和液滴流速的影響。實驗結果說明： 在其實驗條件下，閃蒸噴霧霧束形狀與壓力霧化時有明顯的不同；當水溫到達飽和溫度時，霧束劇烈抖動，極不穩定；當水箱水溫小于噴嘴出口處飽和溫度時， 噴嘴前是飽

12、和水，在到達噴孔時才開始成為過熱水， 噴射出口壓力越小，液滴的 算術平均直徑也越小；而當水箱水溫大于噴嘴出口處飽和溫度時，水箱的水不用流到噴孔，只需流過截止閥，便成了過熱水，開始閃蒸，到噴嘴出口處，已經有 相當的水變成了濕飽和蒸汽。水箱溫度越高，噴嘴前濕飽和蒸汽的干度越大，需 要到噴孔外再產生、長大的氣泡越少，液滴算術平均直徑越小。劉偉民16實驗研究了液體噴射至真空室內的流動情況，用DV拍攝了噴射 過程中射流的變化情況。采用重量傳感器測量了噴射過程中質量的變化，并計算了噴射速度隨時間的變化規律，在試件出口不同位置布置了熱電偶用來分析射流 的溫度變化。實驗獲得了初始溫度、環境壓力和不同管徑對射流

13、速度和溫度變化 的影響。西安交通大學王國祥教授領導的課題組也對激光手術噴霧冷卻過程中單個 液滴的蒸發特性開展了大量研究17-190利用質量傳遞數法推導傳質方程，通過選 取適宜的阻力系數經驗關聯式建立了動量方程，考慮液滴蒸發以及環境氣體的對流換熱建立了液滴能量方程，建立了單個制冷劑液滴平衡蒸發階段蒸發冷卻的理 論模型。分析了液滴初始速度、初始直徑和環境蒸氣質量分數對蒸發特性的影響， 其工作彌補了文獻11中的缺乏，例如：考慮了物性參數隨時間的變化，選取了適 宜的阻力系數經驗關聯式，引入了七個不同氣相模型對單個液滴蒸發特性進行比 擬；并提出選用制冷劑 R404a比R134a具有更好制冷效果的觀點。但

14、上述研究 中也沒有考慮噴射過程中液滴相互碰撞的影響以及非平衡蒸發過程。綜合以上文獻，采用射流的方法可以使液體周圍環境壓力迅速下降，在噴嘴出口處由于壓力突降液體劇烈蒸發。液體過熱度、環境壓力、射流速度、噴嘴尺寸等因素都會對噴霧特性霧束形態、液滴尺寸、蒸發效率等產生影響。然而， 該方法很難對單個液滴的溫度及形態變化進行追蹤和捕捉，采用單液滴蒸發模型 對該過程進行研究，沒有考慮噴射過程中液滴相互碰撞的影響也存在缺乏。3液滴懸掛法1991年，Owen 20采用熱電偶懸掛液滴的方法實驗記錄了液滴閃蒸過程的 壓力變化和溫度變化。實驗中液滴直徑 1 3 mm,容器初始壓力9 bar,然后快 速降壓，液滴過熱

15、。實驗觀察到由于過熱度的不同，液滴經歷的形態也不同：液 滴過熱度5度以內，液滴外表平靜蒸發；過熱度 5-18度，液滴內產生氣泡但不 破裂；過熱度在18度以上時，液滴爆裂閃蒸。Satoh21使用直徑100小的熱電偶懸掛純水液滴，液滴初始溫度10 40oC, 液滴初始直徑1 4mm,通過開啟測試罐與真空罐連接管段中的電磁閥，測試罐內環境壓力由1個大氣壓下降至70 100 Pa的環境中。實驗觀察到液滴經歷以 下四種情形：穩態蒸發結冰；氣泡生成-結冰；氣泡破裂；閃蒸。實驗過程中熱 電偶記錄了液滴中心溫度的變化，結果顯示：液滴結冰前會存在明顯的過冷度； 液滴內氣泡的生成加速了液滴的冷卻速率。隨后，劉偉民

16、16,22,23采用與Saoth同樣的方法，對液滴在降壓蒸發過程中的 溫度變化和形態變化進行了更深入的研究。液滴的初始溫度為10 40 C,液滴初始直徑1 3mm ,測試罐內環境壓力從1個大氣壓降至50 4000 Pa的低 壓環境。實驗觀察到當最終環境壓力高于水的三相點壓力611Pa通常情況下1000 Pa時，液滴表現為明顯的過冷狀態而不發生結冰；隨最終環境壓力的 降低，低于或接近611 Pa時液滴外表開始結冰。研究認為，由于最終環境壓力 的降低，液滴蒸發過程的形態變化可劃分為6種形態：穩態蒸發；穩態蒸發-結冰；伴隨氣泡生長的蒸發-結冰；氣泡逸出-結冰；氣泡快速生成-爆裂；爆裂。實 驗過程中將

17、熱電偶置于液滴內不同位置處， 結果說明液滴降壓蒸發過程中溫度沿 半徑方向變化，液滴內部溫度并不均勻，而存在明顯的溫度梯度。通過對實驗數 據的整理還獲得了最終環境壓力、液滴初始溫度和液滴初始直徑對液滴溫度變化 過程的影響。國防科學技術大學蘇凌宇24也采用液滴懸掛法對負壓環境下燃料液滴的蒸 發過程進行了實驗和理論研究。實驗中采用石英絲懸掛燃料煤油液滴，環境壓力 0.02 0.06MPa,環境溫度375 430 K,高速攝影系統記錄了液滴在蒸發過程中 直徑的變化。實驗結果認為，由于受重力的影響，實驗中所懸掛的煤油液滴隨著 蒸發的進行質量不斷減小，所受重力也不斷減小，石英絲對液滴的外表張力會拉 動液滴

18、向上方移動，液滴的位置和形狀會發生一定的變化。實驗獲得了煤油燃料 液滴在負壓環境下的蒸發速率，以及受環境壓力和環境溫度的影響。結果顯示： 環境壓力越低，煤油燃料液滴的蒸發速率越快，生存時間越短；在相同的環境壓 力下，環境溫度越高，煤油燃料液滴的生存時間越短。在理論研究方面，假設液 滴處于靜止的環境中，除蒸發引起的 Stefan流外，無任何其他形式的流動，建 立了負壓環境下燃料液滴的蒸發模型。該研究針對負壓靜止環境下的液滴蒸發過 程進行了研究，而在降壓過程中由于氣流運動的影響，液滴蒸發過程更為復雜。綜合上述文獻，采用液滴懸掛法能對單個液滴降壓過程中的形態變化和溫度 變化進行觀察和捕捉，然上述文獻

19、中還存在以下幾點問題：1都采用了熱電偶 測量液滴溫度的變化，然而由于水的導熱系數較小，在降壓蒸發過程中液滴內部 會存在較大的溫度梯度，溫度分布不均勻。雖然劉偉民的研究中，觀察到該現象的存在，但由于采用熱電偶置于液滴內部不同位置的屢次測量方法，實驗的重復性很難得到保證，對液滴內部溫度分布研究還不夠深入。2對液滴降壓蒸發過 程的熱力學分析，沒有考慮環境壓力的變化過程，采用了壓力突降假設，認為環 境壓力瞬間下降至預定低壓環境， 液滴過熱。而實際由于受電磁閥響應時間和管 道內流動阻力等因素的影響，測試罐內環境壓力是連續下降的，需要經歷一定時 問At后到達預定低壓環境。環境壓力下降過程中造成的氣流運動會

20、對液滴的蒸 發過程產生影響。4閃蒸噴霧的研究浙江大學的吳楚采用照相和PDA測量技術研究了水閃蒸噴霧過程中，壓力、 溫度對噴霧特性一一10和D32的試驗結果進行擬合，殘差最小的是二次多項式，其 次是指數函數和幕函數.西安交通大學的周致富建立了制冷劑閃蒸噴霧試驗臺，對R134a制冷劑閃蒸噴霧冷卻的噴霧特性和外表傳熱特性進行了實驗研究，得到了制冷劑閃蒸瞬態 噴霧冷卻條件下的噴霧特性和外表傳熱特性，以期為皮膚激光臨床手術提供定量 的指導。還設計了 8個不同內徑和長度的直管型噴嘴，采用先進的磁控濺射沉積 薄膜熱電偶測溫方法，應用杜哈梅爾定理技術外表熱流密度， 定量研究了不同噴 嘴對冷去外表傳熱特性的影響

21、，并對其傳熱規律和霧化特性進行了系統的分析比 擬。此外，提出了評價噴嘴冷卻效率的標準， 給出了采用不同幾何尺寸噴嘴時冷 卻外表換熱量隨噴霧距離的變化規律。還以R134a制冷劑為閃蒸噴霧工質，通過 特定噴嘴形成閃蒸噴霧氣液兩相流。應用PDPA對閃蒸噴霧液滴直徑和速度沿噴 霧軸向方向和徑向方向進行系統測量 ，擬合出了液滴軸向和徑向無量綱速度沿 徑向無量綱距離變化的經驗關聯式。5閃蒸噴霧的展望目前對于閃蒸噴霧已經有了一些實驗研究，但是對于閃蒸噴霧的理論模型 的研究挺少，參考文獻也不多，以后我要研究閃蒸噴霧的理論模型。參考文獻1 Chen J, Kevorkian V. Heat and mass t

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