1前言
在噴射冷卻中，影響冷卻特性的因素在冷卻水側(cè)（噴射時液滴尺寸、液滴射出速度、單位時間及單位面積的流量、液滴溫度等）和被冷卻側(cè)（表面潤濕性、粗糙度、熱物性參數(shù)等）均有很多。理解這些因素對冷卻過程的影響并實現(xiàn)冷卻過程控制極為關鍵。
本研究著眼于這些條件對急冷起始點（淬火點）的影響，在噴射冷卻的水流密度、液滴速度、液滴溫度之外，還將環(huán)境氣氛壓力作為控制因子，致力于定量把握冷卻側(cè)（液體）與被冷卻側(cè)（固體）的各類條件對噴射冷卻傳熱特性（冷卻速度、淬火點等）的影響。
2試驗過程和方法
傳統(tǒng)噴霧冷卻試驗是在大氣氣氛下進行的，試驗中難以排除氧化膜生成、長大對噴霧冷卻性的影響。本試驗在容器內(nèi)設置了噴霧冷卻裝置，可進行各種氣氛氣體（本試驗使用N2氣和Ar氣）和不同壓力（0.1MPa-0.5MPa）條件下的噴霧冷卻試驗。此外，為了對試樣從加熱到冷卻的氣氛進行連續(xù)控制，在容器外設置輻射型燈光加熱器，圖1是環(huán)境控制型噴霧冷卻試驗裝置的示意圖。
本試驗用的試樣是直徑50mm、高10mm的圓柱形金屬試樣。在距試樣表面1mm下的部位插入直徑0.5mm的熱電偶，根據(jù)熱電偶的信息計算試樣表面溫度。
3試驗結(jié)果及結(jié)論
圖2為試樣在噴射冷卻過程中，不同氣氛壓力下的冷卻曲線。在所有壓力條件下，均觀測到膜沸騰區(qū)域和核沸騰區(qū)域，冷卻速度的顯著差異主要出現(xiàn)在膜沸騰區(qū)域。
當壓力為0.1MPa時，達到淬火點所需的冷卻時間約為80s；而壓力為0.2MPa時，冷卻時間縮短至約55s。由此可知，隨著壓力升高，膜沸騰區(qū)域的冷卻速度會加快。淬火點溫度也隨壓力升高而上升，但經(jīng)過淬火進入核沸騰區(qū)域后，未觀察到壓力對冷卻速度產(chǎn)生明顯影響。
圖3是本試驗得到的淬火溫度與氣氛壓力的關系。淬火溫度是根據(jù)噴射冷卻中體積流量密度分別為54L/（m2·min）和79L/（m2·min）時的數(shù)據(jù)估算得出的。作為參考，圖中還標注了水的熱力學過熱極限溫度及飽和溫度的推算值。
由氣氛壓力與淬火溫度關系曲線圖可知，在0.1MPa時，淬火點溫度約為220℃；隨著壓力升高，淬火點溫度也隨之上升，在0.5MPa時達到約310℃。此外，噴霧冷卻水的體積流量密度從54L/（m2·min）增加到79L/（m2·min）時，由于冷卻水量增多，到達淬火點的時間縮短，但淬火點溫度沒有大變化。Cai等人的模型將液體與固體表面接觸時的溫度定義為淬火點溫度，可以較好地推算淬火點溫度。
噴霧冷卻試驗是用水對試樣進行冷卻的方法，除了噴射水帶來的傳熱（Qspray）以外，試樣還因氣氛氣體自然對流（Qnc）和輻射（Qrad）進行散熱，所以，試樣的全放熱（Qtot）為Qtot=Qspray+Qnc+Qrad。
圖4展示了通過試驗以及基于液滴碰撞模型的分析所得的、各傳熱形式在試樣總散熱量中所占的比例。縱軸為傳熱量，橫軸為被冷卻金屬試樣的表面溫度。由圖4可知，噴射水帶來的傳熱占總傳熱的80%以上，正如預期的那樣，試樣在較寬的溫度范圍內(nèi)主要通過水傳熱實現(xiàn)冷卻。
研究氣氛壓力的影響發(fā)現(xiàn)，當氣氛壓力從0.1MPa增加到0.5MPa時，總傳熱量提高了約1倍。即使氣氛壓力升高，通過自然對流和輻射的傳熱量也未發(fā)生顯著增加，傳熱量的增加主要源于噴射水傳熱的提升。這是由于氣氛壓力升高使飽和溫度上升，進而導致蒸汽膜變薄所致。
進一步研究膜沸騰區(qū)域內(nèi)單液滴的傳熱量發(fā)現(xiàn)，實際情況中液滴與表面并非完全被蒸汽膜分隔，即使在膜沸騰區(qū)域，也會暫時發(fā)生局部的固液接觸，試驗結(jié)果表明這種接觸對從表面到水的傳熱起到了一定的作用。
