过热度和液膜厚度对微米级液膜闪蒸影响的数值模拟探究

建立空间内微米级液膜的二维数值分析模型，采用patch形式对网格进行划分来定义不同的液膜厚度。基于Mixture模型来描述液膜与其上方的水蒸气之间的传质传热过程，研究了液膜厚度和液膜过热度对液膜闪蒸造成的影响。根据模拟得到液膜的温度数据，在数学模型的基础上，计算液膜闪蒸的蒸发质量以及蒸发质量的变化率，并引入反映闪蒸过程中温度变化的非平衡分数NEF来表示闪蒸过程的完整性。对液膜各个瞬态时间点的闪蒸状态及影响其传质传热特性的因素进行分析。结果表明：微米级液膜的闪蒸分为快速和稳定两个阶段，初始液膜厚度的增大会抑制闪蒸，由于初始厚度的不同会影响液膜底部的静压，致使达到平衡时的温度略微不同。液膜过热度会通过对表面张力产生影响，进而产生Marangoni对流，促进闪蒸的进行。

喷雾冷却作为一种新型的冷却方式，具有换热系数高、工质流量小、冷却均匀等特点，在电子器件散热方面具有广阔的应用前景[1]。在接近真空的条件下进行喷雾冷却，大部分液滴会在喷雾进程中直接发生闪蒸汽化甚至破裂，但仍有一部分液滴落到空间底部，在壁面上形成一层微米级的薄膜，继续进行闪蒸， 这一过程被称为液膜闪蒸。现有研究普遍集中在池水闪蒸的研究中，相比于喷雾下的液膜闪蒸，池水的深度要远高于液膜。且针对液膜闪蒸的研究，主要集中在实验对工业领域的探究[2]，而针对液滴落下形成的较薄液膜的建模细化研究相对较少。所以有必要对于微米级的液膜闪蒸进行数值模拟研究，并对过热度以及液膜厚度对液膜闪蒸造成的影响进行机理分析，从而为提高喷雾冷却的效率提供参考意义。

在关于液膜闪蒸的传质传热机理研究方面， Saury等人[3]在初始液膜高度为15 mm， 过热度为1~35 K， 初始温度为30℃~75℃的条件下，对液膜的闪蒸现象进行了实验研究。发现液体的初始温度和过热度是影响闪蒸的动力学参数， 并得到了液体的闪蒸蒸发量与过热度的关系。

Saury 等人也研究了初始液膜高度和减压速率对液膜闪蒸的影响[4]。

在初始液膜高度25~250 mm、过热度2~44 K、初始液体温度45℃~85℃的条件下进行了实验研究，首次定性地指出了初始液膜高度对闪蒸现象的影响，并将液体的闪蒸蒸发质量与液体温度关联起来，用数学模型描述了初始液膜高度对闪蒸时间、液体的闪蒸蒸发质量以及减压速率的影响。郭迎利等人[5] [6]在初始液膜厚度40~150 mm，初始水温36℃~88℃，过热度2.1℃~48℃的范围里对池水沸腾进行了研究。得到了与闪蒸时间、液膜初始温度以及过热度相关的经验关联式。Yang 等人[7]在初始液膜浓度为0~0.15 mg/L、初始高度为0.1~0.4 m、过热度为1.8~49.5 K 的条件下，对盐水静