- 课题背景及意义
高压液体迅速降压至其饱和蒸汽压以下时会进入过热状态，此时过热液体就会发生爆炸性雾化并且生成细小的液滴，伴随着细小液滴的剧烈蒸发，导致周围环境温度迅速降低，这就是闪蒸蒸发现象。
闪蒸喷雾具有良好的降温效果，在多种热力过程中有广泛的应用前景。例如，使内燃机燃烧充分减少污染[1]、淡化海水[2]、在使用激光治疗皮肤病的过程中使皮肤表面降温[3]、在化学或核工业中意外释放易燃和有毒的高压液化气体时，也可能发生爆炸性的闪蒸喷雾，当容器或管道有小孔破裂时也会导致形成闪蒸时包含液滴和蒸汽的混合物的射流[4]、闪蒸喷雾也与航空航天工程有关，在发动机启动过程中，高压流体膨胀到接近真空将导致过热状态并发生闪蒸蒸发[5]、在空间热控制与热保护过程中，闪蒸喷雾冷却技术与其他冷却技术相比具有流量需求少、散热能力高、过热度低等优点[6]。
现阶段对以R134a为冷却剂的闪蒸喷雾实验研究比较多。R134a因其低沸点和高挥发性，而且是一种无毒且对臭氧无害的制冷剂，已被广泛用作许多工业应用中的闪蒸喷雾。以R134a为制冷剂的闪蒸喷雾具有喷雾角度大、液滴直径在沿中心线快速减小[7]；闭环系统时对粗糙表面有更强的传热效果[8]；随着喷雾压力增大，在喷嘴内部表现出对称和非对称等不同的空化模型的现象[9]等。总之，由于众多的影响因素，喷雾冷却的结果和现象非常复杂，特别是对于以低沸点流体作为冷却剂的相变喷雾冷却。
综上所述，本课题所探究的过热液体的闪蒸蒸发现象，在当今的众多热工领域得到了广泛的应用，并且众多学者对不同的冷却剂展开了研究，虽然实现的环境、条件不尽相同，但是都利用了过热液体蒸发的相关特性。闪蒸蒸发过程是一个多种物理场耦合的复杂过程，其中涉及到了很多不同物质间的热量传递，比如蒸汽在液滴周围的传热、蒸发冷却效应、液滴内部及周围空气中的自然对流等多种热量传递机制，是汽液相变传热研究领域的重要方向。因此，针对闪蒸喷雾冷却系统的可视化展开深入研究，不仅仅具有重要的理论与科学意义，同时具有广泛的应用价值与前景。
- 国内外研究现状
根据液滴在水平方向上的速度，可以将闪蒸分为循环闪蒸（circulatory flash-evaporation）和静态闪蒸(static flash-evaporation)；根据闪蒸蒸汽蒸发过程的温度变化，将整个蒸发过程分为快速蒸发区（FES）和缓慢蒸发区（GES）[13]。在前者研究的基础上，后来研究者进行了大量的实验研究、理论建模与数值模拟，对液滴的蒸发速率、液滴分布、换热机理等相关特性得到了一定得研究成果，但是仍然存在大量的基础理论需要研究。接下来从激光手术、海水淡化、内燃机、空间热控制等方面的研究来阐述和分析。
2.1与激光手术有关的研究
随着皮肤激光医学的高速发展，与之配合的表皮冷却技术日益重要，具有极大的市场应用前景。制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却(CSC)已经成为激光治疗血管性皮肤病的重要辅助冷却手段，可以有效减小黑色素吸收激光能量导致的表皮热损伤，从而提高入射激光能量、改善治疗效果。
陈斌[10]等首先从闪蒸喷雾机理、闪蒸喷雾特性、表面动态传热规律与传热强化四个个方面对CSC在近二十年的研究进展进行综述，对比分析了典型研究方法与研究结果，并对其影响因素进行了探讨，猜测使用更低沸点的新制冷剂与背压、距离耦合的喷雾新技术可以极大提高冷却能力，并且在文章的最后指出了当前研究的难点以及后续研究方向。
其团队在另一项研究中[11]优化喷嘴设计，进一步增进冷却效率和改善治疗效果，设计了８个不同内径和长度的直管型喷嘴，采用先进的磁控溅射沉积薄膜热电偶测温方法，研究了不同喷嘴对冷却表面传热特性的影响，并对其传热规律和蒸发特性进行了系统的分析比较。实验结果表明: 喷嘴内径和长度对CSC表面传热特性都有影响,在相同喷嘴长度下，内径对冷却表面最低温度的影响随喷雾距离的不同而不同,另一方面，在最大热流密度和峰值喷雾距离下，喷嘴长度对细长型喷嘴和粗型喷嘴的表面传热特性影响不一致。并在文章的最后设立了一种评判标准来衡量不同喷嘴的冷却效果。
制冷剂R404a与R134a相比具有更低的沸点和更高的挥发性。因此该团队又对以R404a为制冷剂的激光手术进行了研究[12],在实验中用高速摄像机对喷雾图案进行了拍摄，使用多普勒相位分析仪(PDPA)对液滴的速度和直径进行了分析，并且使用薄膜热电偶对冷却表面尽行了温度测量来获得热流密度与换热系数随时间的变化。分析实验结果可知，制冷剂为R404a时的喷雾形状与R134a的基本相似，并且液滴的直径和速度的分布的变化趋势相差不大，但是R404a在早期具有较高的表面冷却。
