1 前言

在喷射冷却中，影响冷却特性的因素在冷却水侧（喷射时液滴尺寸、液滴射出速度、单位时间及单位面积的流量、液滴温度等）和被冷却侧（表面润湿性、粗糙度、热物性参数等）均有很多。理解这些因素对冷却过程的影响并实现冷却过程控制极为关键。

本研究着眼于这些条件对急冷起始点（淬火点）的影响，在喷射冷却的水流密度、液滴速度、液滴温度之外，还将环境气氛压力作为控制因子，致力于定量把握冷却侧（液体）与被冷却侧（固体）的各类条件对喷射冷却传热特性（冷却速度、淬火点等）的影响。

2 试验过程和方法

传统喷雾冷却试验是在大气气氛下进行的，试验中难以排除氧化膜生成、长大对喷雾冷却性的影响。本试验在容器内设置了喷雾冷却装置，可进行各种气氛气体（本试验使用N₂气和Ar气）和不同压力（0.1MPa-0.5MPa）条件下的喷雾冷却试验。此外，为了对试样从加热到冷却的气氛进行连续控制，在容器外设置辐射型灯光加热器，图1是环境控制型喷雾冷却试验装置的示意图。

本试验用的试样是直径50mm、高10mm的圆柱形金属试样。在距试样表面1mm下的部位插入直径0.5mm的热电偶，根据热电偶的信息计算试样表面温度。

3 试验结果及结论

图2为试样在喷射冷却过程中，不同气氛压力下的冷却曲线。在所有压力条件下，均观测到膜沸腾区域和核沸腾区域，冷却速度的显著差异主要出现在膜沸腾区域。

当压力为0.1MPa时，达到淬火点所需的冷却时间约为80s；而压力为0.2MPa时，冷却时间缩短至约55s。由此可知，随着压力升高，膜沸腾区域的冷却速度会加快。淬火点温度也随压力升高而上升，但经过淬火进入核沸腾区域后，未观察到压力对冷却速度产生明显影响。

图3是本试验得到的淬火温度与气氛压力的关系。淬火温度是根据喷射冷却中体积流量密度分别为54L/（m²·min）和 79L/（m²·min） 时的数据估算得出的。作为参考，图中还标注了水的热力学过热极限温度及饱和温度的推算值。

由气氛压力与淬火温度关系曲线图可知，在0.1MPa时，淬火点温度约为220℃；随着压力升高，淬火点温度也随之上升，在0.5MPa时达到约310℃。此外，喷雾冷却水的体积流量密度从54L/（m²·min）增加到79L/（m²·min）时，由于冷却水量增多，到达淬火点的时间缩短，但淬火点温度没有大变化。Cai等人的模型将液体与固体表面接触时的温度定义为淬火点温度，可以较好地推算淬火点温度。

喷雾冷却试验是用水对试样进行冷却的方法，除了喷射水带来的传热（Q_spray）以外，试样还因气氛气体自然对流（Q_nc）和辐射（Q_rad）进行散热，所以，试样的全放热（Q_tot）为Q_tot=Q_spray+Q_nc+Q_rad。

图4展示了通过试验以及基于液滴碰撞模型的分析所得的、各传热形式在试样总散热量中所占的比例。纵轴为传热量，横轴为被冷却金属试样的表面温度。由图4可知，喷射水带来的传热占总传热的80%以上，正如预期的那样，试样在较宽的温度范围内主要通过水传热实现冷却。

研究气氛压力的影响发现，当气氛压力从0.1MPa增加到0.5MPa时，总传热量提高了约1倍。即使气氛压力升高，通过自然对流和辐射的传热量也未发生显著增加，传热量的增加主要源于喷射水传热的提升。这是由于气氛压力升高使饱和温度上升，进而导致蒸汽膜变薄所致。

进一步研究膜沸腾区域内单液滴的传热量发现，实际情况中液滴与表面并非完全被蒸汽膜分隔，即使在膜沸腾区域，也会暂时发生局部的固液接触，试验结果表明这种接触对从表面到水的传热起到了一定的作用。