在航空航天设备中，大功率集成化电子元器件的大量应用导致机载设备的热流密度增大，高热通量的散热技术是保障机载设备安全、稳定、高效运行的关键^[1-3]。喷雾冷却技术具有换热高效、过热度较低和工质利用率高等特点，被广泛应用于机载设备的冷却换热^[4-7]。然而，俯仰、翻滚、加速等飞行工况会给喷雾冷却过程带来不确定性影响，采用摇摆激励的实验装置模拟机载工况可较好地分析机载喷雾冷却过程及其换热特性^[8-12]。

近年来，国内外学者通过仿真模拟、搭建实验装置来模拟机载工况，开展了大量的机载喷雾冷却研究。张振豪^[13]采用欧拉-拉格朗日方法研究了多变重力载荷与喷射方向对喷雾冷却换热特性的影响。Li等^[14]采用CLSVOF（coupled level set and volume of fluid，耦合水平集和流体体积）相界面追踪方法模拟了喷雾液滴撞击倾斜液膜的过程。鲁杰等^[15]通过搭建倾斜喷雾撞击实验台，研究了不同倾斜角下液滴碰撞倾斜固体表面铺展形成液膜的演化过程。周年勇^[8]开展了机载喷雾冷却特性实验研究，结果表明，当喷雾腔体与重力方向的夹角从0°增大至90°以及从90°增大至180°时，喷雾冷却性能呈现先提升后下降的态势，喷雾冷却性能在夹角为30°和120°时最优，在180°时最差。鉴于机载喷雾冷却属于复杂的多相流问题，而现有研究大多集中在不同角度下液滴撞击壁面时的液膜换热和不同的腔体与重力方向夹角下喷雾冷却换热等方面，不能很好地模拟飞机俯仰、翻滚及加速等飞行工况。设计较好的喷雾冷却实验装置对开展机载喷雾冷却机理及换热特性的研究具有重要意义^[8,12,16-19]。

为此，在已有研究的基础上^[20]，笔者提出了一种摇摆激励喷雾冷却实验装置的设计方案，并对其喷雾换热腔系统的结构和摇摆控制系统进行详细设计；同时，组建数据采集分析系统，以对模拟加热源的热沉壁面温度、热流密度和传热系数进行误差处理和不确定度分析。最后，通过开展不同幅度摇摆激励下的稳态喷雾冷却换热特性实验来验证所设计装置及方法的可行性与可靠性，旨在促进喷雾冷却技术在航空机载设备换热领域中的应用。

摇摆激励喷雾冷却实验装置方案如图1所示。该装置主要由喷雾冷却系统、喷雾换热腔系统、摇摆控制系统和数据采集分析系统组成。其中：喷雾冷却系统包括冷却液喷雾供给部分和废液回收部分。冷却液喷雾供给部分由储液罐、微型高压泵、过滤器、针型阀、流量计及雾化喷嘴等组成，用于提供进液流量稳定的冷却液喷雾；废液回收部分由三通阀、微型高压泵、针型阀、流量计、截止阀及废液回收罐组成，用于回收冷却换热后的喷雾液体。进液和排液的流量通过三通阀、针型阀和截止阀来调节，可调整喷雾换热腔内的积液高度。喷雾换热腔系统由喷雾腔体、隔板、上支架、模拟加热源、套架、密封隔热板、隔热棉和排液管等组成，用于喷雾冷却换热。摇摆控制系统用于控制喷雾换热腔的摆动，通过控制摇摆幅度A、摇摆角速度ω、摇摆角加速度a和摇摆频率f等参数来模拟不同的飞行工况。数据采集分析系统用于对温度、压力及流量等数据进行采集与分析。

喷雾换热腔系统的整体装配图如图2所示。喷雾腔体采用不锈钢方腔设计，在其质心左右两侧焊接转动轴，左侧通过联轴器、减速器等与伺服电机配合连接，右侧通过轴承与不锈钢支架配合连接。喷雾换热腔作为整个装置的摇摆部件，其运动由摇摆控制系统控制。

喷雾换热腔系统的结构分解图如图3所示。喷雾腔体的前侧安装高速相机和亚克力有机玻璃，后侧安装热红外相机和红外玻璃，用于在实验中观察喷雾冷却换热现象和拍摄图像，以开展液滴撞击热沉壁面、积液流动等可视化研究。喷雾腔体上端边侧留有3个螺纹孔，以便安装压力表、温度传感器和气压调节阀，其中压力表、温度传感器用于测量腔体内压力、温度的变化，气压调节阀用于调节腔体内压力以保持其稳定性；喷雾腔体上端中心处安装调节环，其与进液管螺纹配合连接，用于调整进液管在腔体内的长度，从而实现喷嘴高度的调节。

喷雾换热腔系统内部截面如图4所示。隔板与上支架安装在喷雾腔体内部，使喷雾腔体分为上、下两层；隔板上开有排液孔，与排液管连接，用于喷雾积液的排放。喷雾腔体内侧壁沿垂直方向焊接了1个刻度尺，其零刻度线与模拟加热源上端热沉壁面平行，用于测量喷雾积液的高度。隔板、上支架、喷雾腔体与模拟加热源部分之间空隙用隔热棉（硅酸铝纤维棉）填充。

模拟加热源部分位于喷雾腔体下层，由上支架、模拟加热源、套架和密封隔热板组成。模拟加热源采用加热棒与传热介质相嵌套的方式，采用导热性、耐腐蚀性、熔点高的紫铜作为传热介质，将隔热棉包裹在铜柱周围，以保证绝大部分热量沿铜柱轴向传向顶部。如图5所示，铜柱上端与上支架通过橡胶环紧密配合；在铜柱上部设有4个等间距（间隔5 mm）分布的温度传感器安装圆孔，将4个针形PT100热电偶传感器嵌入其内，利用数据采集分析系统对热电偶传感器的信号进行采集和处理；铜柱内部嵌入4根功率为200 W的加热棒，通过功率调节器进行加热功率调节。

对喷雾换热腔的摇摆规律进行分析，推导计算得到其摇摆时的最大角速度、最大力矩及所需的最大功率等。随后，判断预选伺服电机的参数是否满足喷雾换热腔对摇摆参数的要求，以便及时调整伺服电机的型号。

喷雾换热腔的摇摆运动可近似为简谐运动，其摇摆角度、角速度、角加速度的变化规律如下：

式中：θt为t时刻的摇摆角度；t0为摇摆周期；θmax为最大摇摆角度；ωt为t时刻的摇摆角速度；at为t时刻的摇摆角加速度。

喷雾换热腔所需的最大电机转速n_max为：

当θmax=3π/4，t0=1s时，t=1/4s时ωt取得最大值ωmax，则nmax=3π/4r/s。

忽略隔热棉的质量，将电机负载等效为刚性杆，以喷雾换热腔底部钢板的中心G为原点建立坐标系，如图6所示。喷雾换热腔及其各组成部分的质量如下：总质量为m总，喷雾腔体质量为m1，隔板质量为m2，模拟加热源质量为m3，固定基座质量为m4，底部钢板质量为m5。

令喷雾换热腔质心O的坐标为（x₀, y₀, z₀）。由图6可知，由于喷雾换热腔关于y轴对称，因此其质心的横坐标x0=0 mm，纵坐标y0可表示为：

式中：y_i 为喷雾换热腔各组成部分质心的纵坐标。

经计算，y0=164.79mm≈165mm。由此可得，喷雾换热腔质心O的坐标为（0，165，0）mm。

喷雾换热腔各组成部分均围绕z轴（电机转动轴）旋转，则各组成部分关于z轴的转动惯量可叠加；各组成部分关于z轴的转动惯量通过各自质心的转动惯量和平行轴原理计算得到。根据转动惯量平行轴原理，喷雾换热腔的转动惯量J_O 可表示为：

式中：l_i 为喷雾换热腔各组成部分所对应的轴长；d_i 为喷雾换热腔质心与其各组成部分质心的距离。

经计算，喷雾换热腔的转动惯量JO=482.44×10-3kg⋅m2。

喷雾换热腔的转动力矩M为：

当θmax=3π/4，t0=1s时，t=0s时at取得最大值amax，则喷雾换热腔的最大转动力矩Mmax=44.81N⋅m。

喷雾换热腔所需的电机功率P为：

当θmax=3π/4，t0=1s时，t=1/8s时喷雾换热腔所需的电机功率最大，Pmax=331.34 W。所选用的伺服电机的额定功率应大于Pmax。

电机的输出扭矩M_电机可表示为：

式中：P额为电机的额定功率；n额为电机的额定转速；ς为行星减速机的减速比。

本文选用130SM15010型伺服电机，其额定功率P额=1.5kW，额定转速n额=1000r/min，行星减速机的减速比ς=10∶1。将上述参数代入式(9)，计算得到该伺服电机的输出扭矩为143.25N·m，大于喷雾换热腔所需的最大转动力矩Mmax=44.81N⋅m，说明所选用的伺服电机满足实验装置的需求。

伺服电机控制器通过控制伺服电机的运行来实现对喷雾换热腔的摇摆激励控制。伺服电机控制器硬件框图如图7所示，包括MCU（microcontroller unit，微控制器）、电机驱动器、伺服电机、控制按键模块、LCD（liquid crystal display，液晶显示器）显示模块、串口模块、蜂鸣器以及电源模块。伺服电机控制器与PC（personal computer，个人计算机）端通过串口模块相连，在PC端的软件中进行电机控制与参数设置。

伺服电机的控制流程如图8所示。当完成控制器初始化后，通过控制按键模块设置摇摆运行时间t和摇摆激励参数（摇摆幅度A、摇摆角速度ω、摇摆角加速度a和摇摆频率f等）。启动后，通过控制驱动器驱动电机运转，电机按所设置的参数开始运行。若运行过程中有中断（按键停止摇摆、运行异常）发生，则控制驱动器驱动电机复位。若无中断发生，则判断是否已完成所设置时间t内的摇摆：若未完成，则控制电机继续运行；若已完成，则控制驱动器驱动电机复位。当蜂鸣器持续响30 s后，控制器进入待机状态，等待下一次喷雾换热腔摇摆参数设置后继续运行。若控制器长时间待机（无设置命令），则结束控制并自动关机。

本文采用PW9901智能参数测量仪监测模拟加热源中加热棒的电流和电压；采用测量范围为0~6.67 L/min、精度等级为0.5的涡轮流量计；采用焦距为8 mm、帧率为 2 000 帧/s、最小曝光时间为1 µs的高速相机，高速相机与PC端通过USB3.0连接通信，实现对喷雾冷却过程的图像采集；采用分辨率为（640×512）像素、精度为0.01 ℃、测量范围为-40~550 ℃的FLIR Ax5 series热红外相机，热红外相机与PC端通过GigE连接通信，实现对喷雾冷却换热现象的热红外图像采集；采用安捷伦34972A数据采集器，实现对温度传感器信号的采集与处理，并将处理数据上传至PC端。利用PC端软件对温度数据进行分析与图形显示。

模拟加热源中铜柱的热沉壁面温度、热流密度和传热系数可用来表征喷雾冷却的传热能力。已有文献通过实验和数值模拟方法验证了铜柱一维稳态导热的有效性^[8,16-17,21]。对傅里叶导热定律进行简化，则一维稳态导热条件下热流密度q可表示为：

式中：λ为紫铜的导热系数；T(d)为距离热沉壁面d处的温度。

本文利用4个PT100热电偶传感器对铜柱轴向上4个测点的温度进行测量。根据4个PT100热电偶传感器的温度测量值，对温度进行线性拟合，可得：

式中：b为截距；c为温度分布斜率。

则铜柱的热流密度、热沉壁面温度和传热系数可表示为：

式中：Tw为热沉壁面温度；T1为铜柱最上部PT100热电偶传感器的温度；Δd为铜柱最上部PT100热电偶传感器与铜柱热沉壁面的距离；k为传热系数；Tin为进液温度。

PT100热电偶传感器的最大不确定度为±0.15 ℃；拟合得到4个热电偶传感器的温度分布斜率的最大不确定度为±0.01；热电偶传感器安装位置的精确度受加工工艺的限制，其位置的不确定度为±0.1 mm。由此可得，铜柱的热流密度、热沉壁面温度和传热系数的最大不确定度可表示为：

式中：ΔT为铜柱上部2个PT100热电偶传感器的温度差。

通过计算得到，铜柱的热流密度、热沉壁面温度和传热系数的不确定度分别为±4.5%，±2.4%，±4.3%。

利用图9所示的摇摆激励喷雾冷却实验装置，开展不同摇摆激励下稳态喷雾冷却换热特性实验，以验证所设计实验装置及所采用方法的可行性，以及分析摇摆幅度对喷雾冷却换热特性的影响。选用Spray公司生产的1.2 mm标称喷孔直径的实心锥喷嘴，喷嘴距离铜柱热沉壁面20 mm高；喷雾压力稳定在0.15 MPa，流量为0.66 L/min。冷却工质采用水，经喷嘴雾化成大量细小液滴后对模拟加热源壁面进行冷却；加热棒功率为200 W。在伺服电机控制端设置摇摆运行时间和摇摆激励参数，以角速度为40 (°)/s匀速摇摆，分别在±0°，±30°，±60°，±75°，±90°，±105°，±120°，±135°和±150°等9种摇摆幅度工况下进行实验。

摇摆激励下喷雾冷却实验流程如图10所示。首先，打开进液管路针型阀和排液管路截止阀，关闭排液管路针型阀，设定摇摆运行时间、摇摆激励参数（摇摆幅度、摇摆角速度等）和喷雾高度等。然后，启动伺服电机，当摇摆状态稳定5 min后，启动进液管路微型高压泵，向喷雾换热腔内供液，调整进液管路针型阀的开度，使得进液管路流量计示数稳定在0.66 L/min；随后，启动排液管路微型高压泵，打开排液管路针型阀，观察排液管路流量计示数，并关闭排液管路截止阀。接着，打开34972A数据采集器，对温度传感器的信号进行采集与处理，并将处理数据上传至PC端；利用功率调节器来进行加热功率的设定调节，并开启模拟加热源。当热沉壁面温度曲线稳定后，停止喷雾换热腔摇摆，并迅速将喷雾换热腔复位；待温度曲线再次稳定后，停止采集数据，并关闭加热源；当热沉壁面温度稳定至环境温度时，关闭进液管路和排液管路的微型高压泵，停止喷雾，准备下一轮实验；待所有摇摆工况下的实验完成后，结束实验。

在幅度不同的摇摆激励下，稳态喷雾冷却换热特性实验中铜柱的热沉壁面温度变化曲线和热流密度变化曲线分别如图11和图12所示。

由图可知，在摇摆幅度为±0°，±30°，±60°，±75°的工况下，喷雾换热腔内均无积液；在600 s时停止摇摆后，热沉壁面温度和热流密度的变化较小，为非浸没喷雾冷却换热。

在摇摆幅度为±90°的工况下，当喷雾换热腔的摇摆角度约为±90°时，由于重力和摇摆所引起的液体流动的影响，废液无法正常顺利地进入排液管，导致喷雾换热腔内开始产生积液，积液为温度较高的废液；积液在往复摇摆时反复冲击喷雾区域，随着积液的增加，积液对喷雾区域的冲刷程度加强，导致铜柱热沉壁面的换热热阻增大，喷雾冷却效果减弱。在600 s时停止摇摆后，喷雾换热腔的摇摆角度回零复位，积液不再反复冲击喷雾区域，废液于腔内积至一定高度，此时为半浸没喷雾冷却换热，雾化的大量细小液滴冲击积液，此时积液使铜柱热沉壁面的换热热阻增大，使得喷雾冷却效果减弱，导致热沉壁面温度快速上升，热流密度快速下降；随着积液开始排出，积液高度逐渐降低，积液对铜柱热沉壁面换热热阻的影响逐渐减小，喷雾冷却效果逐渐增强并恢复至正常，且热沉壁面温度和热流密度也逐渐恢复正常。

在摇摆幅度为±105°，±120°，±135°，±150°的工况下，当喷雾换热腔的摇摆角度大于±90°后，一侧的排液管进口开始高于积液面，使得排液管的出液量减少，同时积液不再冲刷喷雾区域，此时换热方式为非浸没喷雾冷却，随着摇摆时间的增长，喷雾换热腔内逐渐累积大量废液。图13所示为摇摆幅度为±105°工况下积液冲刷喷雾区域的场景，往复摇摆时喷雾换热腔内积液受迫晃动反复冲击喷雾区域，较大地减弱了喷雾冷却效果，使得铜柱的热沉壁面温度和热流密度剧烈波动。在600 s时停止摇摆后，喷雾换热腔的摇摆角度回零复位，腔内积液的液位高于喷嘴，喷雾完全浸没在积液内部，此时换热方式为浸没喷雾冷却，如图14(a)所示，雾化的大量细小液滴冲击较深的积液，较大地减弱了喷雾冷却效果，同时铜柱的热沉壁面温度快速上升，热流密度快速下降；当积液下降到低于喷雾高度，且积液液位在喷嘴和铜柱热沉壁面之间时，换热方式为半浸没喷雾冷却，如图14(b)所示，雾化的大量细小液滴冲击积液面和积液，随着积液高度的不断降低，喷雾所冲击的积液面不断增大，喷雾换热腔内的液体流动也变得更为复杂，喷雾冷却换热效果随之增强。在摇摆幅度为±105°的工况下，当实验进行至830 s时，铜柱的热沉壁面温度逐渐降低，热流密度逐渐增大；当积液高度继续下降至低于热沉壁面和无积液时，换热方式为正常喷雾冷却，如图14(c)所示，此时喷雾冷却效果增强至正常，铜柱的热沉壁面温度和热流密度恢复正常。在摇摆幅度为±120°，±135°，±150°的工况下，当停止摇摆后，随着积液的排出，喷雾冷却效果、铜柱热沉壁面温度和热流密度均逐渐恢复正常。

通过对比分析，在幅度不同的摇摆激励工况下，铜柱热沉壁面温度的增幅最高可达26.47%，约升高了10.915 ℃；铜柱热流密度的降幅最高可达5.42%，约下降了4.126 W/cm²。实验结果表明，摇摆幅度对喷雾冷却换热过程产生影响是因为换热废液无法有效排出而在喷雾换热腔内形成较多积液，在摇摆过程中，积液因受迫晃动而反复冲击喷雾区域，使得铜柱的热沉壁面温度和热流密度剧烈波动；当停止摇摆后，在积液高度下降过程中喷雾冷却换热行为发生了变化。

本文设计并搭建了一种摇摆激励喷雾冷却实验装置，创新性地通过摇摆激励来模拟飞机的翻滚、俯仰等飞行工况，并对铜柱热沉壁面温度、热流密度及传热系数进行了系统性的误差处理和不确定度分析。通过不同幅度摇摆激励下稳态喷雾冷却换热特性实验验证，装置运行稳定可靠，摇摆激励引起的积液冲刷热沉壁面和喷雾区域，减弱了喷雾冷却换热性能；在摇摆激励停止后，随着积液高度的下降，喷雾冷却分为浸没喷雾、半浸没喷雾及非浸没喷雾三个阶段，随之引起喷雾冷却行为发生变化，铜柱的热沉壁面温度和热流密度发生剧烈波动。本装置可设置不同的摇摆激励参数（摇摆角速度ω、摇摆角加速度a和摇摆频率f等），有利于模拟更多的飞行工况，以开展相应的喷雾冷却换热特性实验研究。