以水为冷却介质,针对固体激光器200 W/cm2散热需求进行喷雾冷却换热实验研究,重点研究介质体积通量在0.044-0.053 m3 /(m2·s),壁面温度为25-65℃ 范围内“无沸腾区”的散热特性。实验结果表明,通量为0.044 m3 /(m2·s),壁面温度为65℃时,散热功率可达257 W/cm2;在通量为0.053 m3 /(m2·s)时,保持同样壁面温度散热能力达到300 W/cm2。对实验数据进行分析发现,“无沸腾区”换热系数随着介质体积通量、壁面温度的增加而变大;对雷诺数Re＞440给出了反映换热特性的Nu与Re经验关系式。与Oliphant等给出的数据比较后发现,此关系式在Re＞240以后的计算结果,对工程运用亦有一定的参考作用。

以水为冷却介质,采用Spray公司的TG0.3机械雾化实心圆锥喷嘴,在体积通量为0.044,0.049和0.053 m3/(m2·s)情况下,对刻有不同微结构槽道冷却面的无沸腾区换热性能进行实验研究。结果表明:刻有微结构的表面可明显增强换热效果;壁面刻有高为0.2 mm的微结构槽道且壁面温度为52 ℃时,体积通量为0.044 m3/(m2·s)则热流可达260 W/cm2,通量为0.053 m3/(m2·s)则散热功率高达376 W/cm2,完全可以满足当前高功率激光器的散热需求。对于光滑面以及槽肋高为0.1和0.2 mm的换热面,其换热能力随着体积通量的增加而增强;换热面高度为0.4 mm时,通量对换热的影响变得较微弱。微结构槽道不仅增加了换热面积,还有利于液膜扩散,减小液膜厚度,增强换热。在三种不同的流量通量下,高度为0.2 mm的微结构槽道换热性能最佳。

以水为冷却介质, 采用雾化角60°的Steinen系列1.5和2.0实心圆锥喷嘴, 研究不同流量(3.26～5.0 L/h)时大功率激光器喷雾冷却中的换热性能。结果表明,喷雾冷却“无沸腾”区换热性能不能简单以流量大小来衡量；对于同种型号喷嘴, 压力、流量增大会导致换热性能增强；但对不同型号的喷嘴, 增大压力与流量不能明显增强换热能力。在液滴喷射速度变化不大时, 由于流量增加会引起液滴数通量、液滴粒径大小、液膜厚度等喷雾参数的变化, 这些参数共同影响着换热。冷却效率主要受液体流量和液滴喷射速度共同影响。对于同种型号喷嘴, 压力增强冷却效率下降。相对于光滑表面, 粗糙换热面在喷雾冷却“无沸腾”区有着更好的换热性能和冷却效率。