与各种地面研究相比，高空中的喷雾冷却研究受制于实验环境、实验成本和设备的复杂性，使得航空喷雾冷却的实验研究非常有限，许多问题还没有形成统一的认识。
本文介绍了喷雾冷却技术工作原理，从雾化特性、冷却液特性和表面特征3个方面分析了影响喷雾冷却的关键因素，总结了喷雾冷却技术在航空领域的研究现状，指出在不同重力和加速振动等特殊环境下喷雾冷却技术存在的问题，并对航空电子设备喷雾冷却技术发展进行了展望。
电子设备随着尺寸的逐渐减小和性能的不断提高，其热流密度越来越大，需要较高的散热能力。
可用于解决高热流密度电子设备散热需求的散热技术，是先进热管理中重要的攻克方向之一。
不同冷却技术的性能对比
空气自由对流和强迫风冷的换热能力明显低于其他换热技术。
传统的风冷技术已经不能满足日益严格的散热需求，喷雾冷却较高的散热能力使得其在航空电子设备散热方面的应用成为可能。
由于飞机飞行环境的多变，再加上喷雾冷却系统的复杂性，多种影响因素的交叉作用使得航空领域应用喷雾冷却技术的研究尚处于起步阶段。
喷雾冷却机理
液态冷却液从加压的喷嘴喷出后与空气作用快速雾化成小液滴，随后运动到热源表面形成液膜，液膜流动和蒸发带走部分热量，同时剧烈的运动也使液膜中夹带了大量的气泡，通过核态沸腾换热带走热源表面的热量。
喷雾冷却过程中的动力和传热机理
喷雾冷却根据是否发生相变分为单相和两相2种传热模式。
喷雾冷却还可以在较少液体存量的情况下实现精准控温，同时在整个喷雾覆盖的表面上形成相对均匀的温度分布。
- 单相冷却机理
换热表面温度较低时，喷雾冷却换热主要依靠单相换热模式。
尽管此阶段喷雾冷却效果并不是很明显，但整个冷却系统稳定性较高，并且散热表面温度均匀分布。
研究表明，单相冷却传热主要以液滴碰撞区域和周围区域的对流换热为主。
但有研究发现，液膜运动带走的热量不可忽略，液膜均匀分布的基础上厚度越小越有利于换热。
另有研究则发现液膜的厚度与许多因素有关，这些因素也会影响传热特性。
目前量化分析液膜传热的研究还较少，液膜形成机理和准确地测量是急需解决的问题。
- 两相冷却机理
液滴与空气的强迫对流换热、液膜受热蒸发、换热表面核态沸腾是两相喷雾冷却换热机理的主要组成部分，后两者是提高喷雾冷却能力的关键因素，也是两相喷雾冷却与单相喷雾冷却的最大区别。
当换热表面达到过热状态时，液膜内部形成沸腾气泡，且体积随着吸收热量而不断增加。同时不断增大的气泡随着液膜移动，并在浮升力的作用下逐渐脱离液膜。
在冷却液相变过程中大量的气泡在液膜内移动并搅动液膜。这个过程带来核沸腾传热，是喷雾冷却技术能够应用于高热流密度电子器件散热的主要原因。
喷雾冷却的影响因素
- 雾化特性
喷雾冷却雾化特性主要从索特尔平均直径、液滴速度、喷雾角度、喷雾高度和喷雾流量等多方面进行综合评价，其中喷嘴直径对喷雾冷却的雾化特性影响最大。
此外，雾化特性也受冷却液物性、入射压力、环境温度和环境压力等影响。
喷雾冷却的核心要素是液滴均匀分布，这也是提高换热能力的先决条件。
多喷嘴阵列因其喷雾流量和液滴通量的均匀性而应用于冷却较大面积的加热表面，但同时限制了重叠区域的冷却能力。
采用多喷嘴阵列冷却时要合理选择每个喷嘴的类型，同时根据换热表面的温度分布合理控制每个喷嘴的流量。
深入了解多喷嘴喷雾冷却的控制机制对冷却效果至关重要。多喷嘴阵列喷射的流体还存在相互作用，查清多喷嘴阵列喷雾冷却换热机理的研究尚需进一步深入。
可能的喷嘴阵列（直线和交叉）
- 冷却液特性
根据冷却液是否导电将其分为2种：非介电液和介电液。
非介电液为水溶性液体，表现为较高的热导率和较低的黏性。水、乙二醇和水/乙二醇混合物是目前应用最广泛的非介电液。
水具有较高的比热容、低凝固点和高沸点，具有较高的汽化潜热值；同时应用方便、价格低、对环境无污染，适合开路和循环回路2种场景。但喷雾冷却系统必须保证水不与电子器件直接接触，使得换热系统复杂，同时也降低了换热能力。
介电液具有较低的密度、沸点、表面张力和黏度并且易于蒸发的特点，分为基于芳香族、脂肪族、有机硅基和碳氟化合物的流体。
单相冷却剂首选水，两相沸腾换热多选择介电液体。
醇类表面活性剂会降低冷却液表面张力，导致液滴直径更小，而可溶性盐添加剂能够增强气泡沸腾，二者都可以有效提高喷雾冷却的传热性能，但可溶性盐添加剂也会腐蚀管道和喷雾冷却系统设备。
由于导热系数高、流动性好、腐蚀少等优点，纳米流体成为喷雾冷却换热领域的研究热点。
纳米颗粒的悬浮特性使其容易沉积在冷热交替的壁面上，进而增加换热热阻，也容易堵塞喷嘴。
纳米颗粒的团聚现象，体积浓度、粒径大小的不同，以及在水介质中的不稳定性都会影响整个换热系统的传热特性，有待进一步研究。
- 表面特征
通过改变表面特征来增强喷雾冷却能力是一种有效且低成本的方法，目前主要通过改变表面结构、改变表面粗糙度和涂抹表面涂层改变表面特征。
改变表面结构主要通过增大接触面积和接触时间提高热导率。但由于表面结构特征尺寸通常在毫米级，不利于表面液膜的流动而限制了喷雾冷却的散热能力。
微/纳米表面结构示意
随着微制造技术的发展，微/纳米或混合结构表面在喷雾冷却领域的应用已引起极大关注。
微/纳米表面特征尺寸通常为25~480 μm，接近液膜厚度，对于喷雾核心区域的传热增强作用不大，但在薄膜或者部分干燥区域的冷却性能却大大提高。
但微/纳米表面的制备过程非常复杂，很难控制表面特性，同时体积浓度较大的纳米流体会在表面沉积。目前需要进一步研究如何制备和保持微/纳米或混合结构表面的稳定性。
纳米结构涂层可以改变表面润湿性和流体流动特性，进而扩大润湿面积和三相接触线，从而提高换热率。
在涂层表面液膜通过毛细力向外扩展，不仅增大了液膜与热表面的接触面积，还增加了驻留在表面的时间。涂层表面还提高了核沸腾传热的效率，主要是增加了气泡成核的位置数量。
表面涂层厚度在微米到纳米级别，增加厚度不利于提高传热速率。纳米结构涂层随着使用时间的增加存在脱落的风险，保持界面的稳定性是纳米结构涂层目前亟需解决的问题。
其他
喷雾冷却还要根据电子设备实际应用场景，从多个方面进行综合研究。
根据使用环境和被冷却的电子设备结构，选择合适的冷却剂、喷嘴结构；合理安排喷嘴数量和空间布局；调整合适的喷雾高度、喷雾角度，并且控制环境压力、温度，从而获得最优的参数组合。
航空领域研究进展
与地面电子设备喷雾冷却系统相比，航空电子设备对整个系统的体积、质量、整体布局以及可靠性的要求更加严格。
除了满足基本的散热需求，喷雾冷却系统还要兼顾飞机特殊的工作环境。
重力场影响
由于近空飞行技术的发展，传统航天器与传统飞机之间的界限正在被消除，高超音速飞行器的飞行高度已接近100 km，飞行环境涵盖了微重力场景。
标准重力环境下的喷雾冷却换热机理并不适用于微重力环境下的喷雾冷却。
不同重力情况下喷雾冷却对比（a）正常重力（b）微重力
航空领域应用喷雾冷却技术需要解决重力不断变化的条件下液体和蒸汽混合物如何快速离开加热表面的问题，确保在加热表面无冷却液存留。
通过引入蒸汽冷凝器产生的吸力快速吸走两相混合物蒸汽，可以提高冷却循环系统的散热能力。
具有更大表面张力和更强毛细力水力效应的多孔材料可以捕获液滴并将液体吸入多孔基底，以减少液滴飞溅，并在液滴撞击表面时实现良好的汽液分离，还可以提高液体传输能力。但也有研究表明多孔材料的使用增加了传热路径的热阻，降低了整体的传热能力。
此外，已有研究表明当飞机与重力方向之间的夹角在30°或120°左右时换热表面的温度最低。
目前不同重力工况的喷雾冷却研究都是在地面上创造复杂的航空环境进行，喷雾流体动力、重力和热量转移的耦合影响机理还研究的不够充分。
未来的研究应该在实际的机载环境下进行实验研究，同时开展理论模型研究。
- 低压环境
低压力环境对喷雾冷却技术的影响也不容忽视。
低压环境有利于增大喷雾锥角能够改善雾化特性，进而提高液滴蒸发速率。同时当环境压力降低时，部分冷却液的饱和温度也随之降低，其蒸发潜热随之升高，这就可以提高喷雾冷却的换热能力。
研究低压环境下的喷雾冷却对于喷雾冷却技术在航空电子设备散热方面有重要意义。
喷雾冷却的换热能力随着环境压力的降低而呈增大的趋势，低压环境下液膜表面和飞溅小液滴出现闪蒸气化吸热使得换热量加大，冷却液蒸发加快，换热量远远高于标准环境下的喷雾冷却。闪蒸冷却技术已应用于太空航天器。
由于飞机空间的限制，冷却系统携带的冷却液有限，需要深入研究利用最小的冷却资源消耗以实现最高的闪蒸冷却效率。
飞机飞行高度的不同导致机载电子设备工作压力时刻变化，使喷雾冷却系统能够同时满足喷雾冷却与闪蒸冷却的要求也是要解决的问题。
- 加速振动影响
飞机会经常加速、减速和机动飞行，这些运动都会对喷雾冷却系统施加额外的作用力，很可能会改变受热面上的液膜流动，同时飞机本身的振动也会增加系统的负荷，进而影响喷雾冷却系统的综合散热效率。
加速试验台
加速度对喷雾冷却的传热有积极的影响，但是增强效果有限，其中垂直加速度对热量传递产生正面的影响。
随机振动环境下的喷雾冷却尚未进行实验研究。小振幅的随机振动能够提升整个冷却系统的热效率，但随着频率和振幅的增加，冷却能力反而会降低，这主要与高振幅情况下冷却液薄膜破裂较早与振动面接触不良有关。振动环境对喷雾冷却的临界热流密度影响较小。
虽然已有研究表明加速度会影响雾化效果，合理的随机振动频率和振幅也会提高冷却能力，但由于实验工况的差异，对一些基础问题尚未形成统一的认识。此外，在相同实验条件下不同冷却液呈现出不同的传热特性，还需要更多的研究以了解不同冷却液之间的换热差异。
- 技术的应用
智能而有效地管理不同重力场下的两相冷却液状态是目前喷雾冷却技术在航空领域中应用的关键。
美国开展了大量的研究，在实验测试、理论分析和工程应用等方面居于领先水平，目前已经实现了喷雾冷却技术在航空领域的成功应用。
喷雾冷却技术的应用
由于结构简单、技术成熟和高可靠性，辅助喷射器设计为利用不受重力影响的文丘里效应结构，这意味着喷雾冷却技术仍然可以在航空复杂的重力场中传递两相流。
辅助喷射器及其冷却系统
尽管目前国内已经完成了航空领域喷雾冷却原理样机的研制，但是还处于实验室研究阶段，与美国的差距十分明显。
结论
喷雾冷却能够满足电子设备日益严格的散热需求，是一种有效的冷却技术。
除去较高的冷却能力，喷雾冷却还可以在较少液体存量的情况下实现精确的温度控制，同时在整个喷雾覆盖的表面上形成相对均匀的温度分布。
高空中的喷雾冷却研究受制于实验环境、实验成本和设备的复杂性，使得航空喷雾冷却的实验研究非常有限，许多问题还没有形成统一的认识。
1）不同重力环境下的喷雾冷却机理明显不同。微重力环境下的液膜对流和气泡分离与标准重力环境下有明显的不同。航空领域应用喷雾冷却技术需要解决不同重力环境下液体和蒸汽混合物如何快速离开加热表面，确保在加热表面无冷却剂存留。
2）不断变化的重力场使得喷雾冷却换热机理和流动特性明显与地面不同，导致地面能够使用的喷雾冷却装置无法应用到飞机中。需要对整个喷雾冷却系统进行重新设计，确保冷却系统能够在不同重力场下稳定运行。
3）加速和振动环境下的喷雾冷却机理，以及对雾化及传热的影响等问题，尚未形成统一的认识。
4）雾化特性、冷却液特性、换热表面特征等影响换热效果较为明显的因素，在高空环境下的影响还没有定性和定量的分析。
美国已在多款机载计算机中实现了喷雾冷却技术的应用，但国内还处于实验室研究阶段。
部分高校和研究机构针对飞机的特殊应用场景研制出了原理样机但尚未在飞机中广泛应用。
喷雾冷却是复杂多参数非线性的过程，除了地面上的基础研究，还需进行高空中的实验研究，通过实际工作场景的研究来缩小与国外的技术差距。
本文作者：齐文亮，王婉人，杨雨薇，李昊，刘婷婷
作者简介：齐文亮，中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所、西北工业大学机电学院，博士，研究方向为电子设备散热技术。
论文全文发表于《科技导报》2022年第5期，原标题为《航空电子设备喷雾冷却技术研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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