大空间近Ma数横流中液氮相变喷雾传热传质机理研究

In order to solve the key problems of the liquid nitrogen (LN2) spray cooling in the cryogenic wind tunnel, this study aimed at the mechanism of the heat and mass transfer of LN2 spray with phase changein largespace cross-flow airstream around the Mach number. Based on the analysis of non-equilibrium phase changenucleation process and discrete and development model of gas-liquid two phase flow, the atomization mechanism LN2 phase change spray cooling will be explored by investigating the transient characteristics of the LN2 drops from a single LN2 nozzle. Take into account of the influence of interaction of multi-spray flow from the nozzle array on the droplets collision, development, and the formation of the new droplets, disclose the truth of collision, formation and broken of the droplets from the multi-spray flow.And on the above basis, the heat and mass transfer model of the tiny droplets will be established under the condition of large temperature difference. The characteristics of phase change, mixing, development and heat and mass transfer of LN2 spray in conditions of large space and large temperature difference will be described. Then, the experimental study on the single nozzle LN2 spray and nozzle array spray will be conducted to verify the theoretical analysis and numerical results. The inner mechanism of LN2 spray in conditions of large space and large temperature difference will be indicated, and the heat and mass transfer characteristics of the multi-spray flow and the droplets will be also described. The researchers hope to contribute to the key problems of the cryogenic wind tunnel.

为解决低温风洞中液氮相变喷雾降温的关键问题，针对大空间近Ma数横流中液氮相变喷雾传热传质机理进行研究。基于非平衡相变核化过程分析和气液两相流离散发展模型，开展单喷嘴雾场的瞬态液滴生成、发展特性研究，探索高速横流作用下液氮相变喷射雾化机理。进一步考虑喷嘴阵列多股流干涉作用对液滴碰撞及新液滴形成、发展过程的影响，揭示喷嘴阵列干涉流中的液滴碰撞及聚并/破碎现象。在此基础上， 建立大温差条件下微液滴表面流动及传热传质耦合模型，最终获得大空间近Ma数横流气流中液氮的雾化相变、掺混发展、传热传质特性的理论描述。开展单喷嘴/喷嘴阵列液氮相变喷雾雾化特性及换热特性实验研究，验证理论分析及数值模型的正确性。本项目旨在通过理论与实验研究，揭示大空间近Ma数横流中大温差条件下液氮相变喷雾雾化机理、喷嘴阵列多股流干涉机理及雾化液滴群传热传质机理，为解决大型低温风洞液氮喷雾降温关键问题提供重要的理论与实验依据。

利用液氮液滴汽化时产生的吸热效应实现风洞的降温是提高大型风洞试验Re数的最佳途径，为了解决低温风洞中液氮相变喷雾降温的关键问题，本项目开展了如下工作：(1)以经典蒸发模型为基础，根据风洞的实际运行工况加以修正，建立了高速气流环境中单个氮液滴的蒸发模型，获得在蒸发过程中液滴直径、速度、蒸发速率等参数的变化规律，揭示了大温差高速气流作用下液氮液滴高强度传热传质机理；(2) 基于流体体积法（VOF）建立了液氮液滴的碰撞模型，对液氮液滴在高速气流下的碰撞聚并/碰撞破碎过程进行了数值模拟，获得液滴初始直径、韦伯数、碰撞参数对碰撞过程中液滴形态及气隙压力的影响规律；(3) 基于多相流mixture模型以及空化和蒸发冷凝模型，建立了喷嘴内部液氮空化流动特性的理论模型，揭示了喷嘴内部液氮空化特性及其对喷嘴流量特性的影响；(4) 以喷嘴内部流动特性模拟结果为输入条件，开展了单喷嘴及喷嘴阵列雾化特性及降温特性数值模拟，揭示了喷嘴阵列多股流相互作用对雾化特性及气流降温特性的影响，从而提出合理的喷嘴阵列优化布置方案; (5) 设计并搭建了开式液氮喷雾实验系统，采用高速摄影系统、低温质量流量计、马尔文粒度仪测得不同工况下液氮相变喷雾宏观特性（喷雾角、流量特性）及微观特性（液滴平均粒径分布），验证了喷嘴内部空化模型及喷嘴下游雾化模型的准确性；(6) 设计并搭建了模拟风洞回路液氮喷雾实验系统，开展了液氮喷雾瞬态降温特性和稳态降温特性实验研究，验证了高速气流中大温差条件下雾化液滴群传热传质模型的准确性，为大型低温风洞中大流量液氮相变喷雾整体降温性能的评估奠定了理论基础。基于上述研究工作，实现了大空间高速气流中液氮工质相变雾化、碰撞聚并/破碎、大温差传热传质特性的完整理论描述，并获得了大流量低温工质相变雾化特性及大空间降温特性的实验数据，为解决大型低温风洞液氮喷雾降温关键问题提供重要的理论与实验依据。