喷雾冷却因其在高热流密度下的高效换热能力而被广泛应用于各类工业设备的热管理,其中钢铁铸造业更是广泛应用喷雾冷却来为高热流密度的高温表面降温,以及保障高温工作环境下设备的安全。喷雾冷却是一个复杂的物理过程,其换热能力受到众多因素的影响,如:入口喷射压力,喷射速度,液滴尺寸,喷射表面的条件(粗糙度),喷射样品的厚度,以及喷雾自身性质(单相喷雾或两相喷雾)等。本文深入研究了热不锈钢平板厚度、液滴直径、入口压力和表面形貌对单相水喷雾冷却时间、冷却速率及换热量的影响,以及表面形貌对两相喷雾冷却速度、表面热流密度和换热系数的影响。　　本文通过理论分析与实验探究相结合的方法,运用了一些列数学方法对喷雾冷却的温度数据进行分析以获得不同影响因素下喷雾冷却性能的相关信息,如:单内节点温度随时间的变化的贝克连续函数规范方法,基于温度的函数规范方法,和 INTEMP逆头传导求解方法的克兰克尼科尔森配方和全隐式配方等数学方法,并搭建了完整的实验系统用于喷雾冷却实验观测,通过对比数学分析模型和实验结果得到了样品的临界液滴尺寸和厚度。　　主要结论如下:　　(1)热样品冷却至流体温度的冷却时间随流体入口压力的升高而减小,然而根据平均喷雾速度和液滴尺寸之间的平衡其冷却时间存在一个临界值,过高的压力对喷雾冷却效率并无明显提升效果。模型分析解与实验结果在样品厚度较小时表现出良好的一致性,其相对误差为3.2％;而在样品厚度较大时误差较大,当样品厚度为22mm时相对误差为32.75％。另外,随着进口压力的升高,平均喷雾速度、喷嘴出口速度随之增加而MVD和SMD随之降低,对于一给定类型喷嘴,存在一临界入口压力使其达到最大冷却速率,对于实验中使用的喷嘴,当入口压力为0.8MPa,换热温差分别为ΔT=600 oC,700 oC,800 oC时,其最大冷却速率分别为424.2oC/s,502.81oC/s,573.1oC/s。此外,实验获得的最大表面热流密度随样品厚度的增加而降低,当样品表面初始温度达到900℃时,蒸汽薄膜效应居于主导地位,导致样品最大表面热流密度和冷却速率的降低。同时,将温度传感器布置在样品的表面淬火区域附近更有利于获得影响表面热流密度、表面温度、冷却速率的相关参数,结果表明随表面过热度的增加,表面冷却速率升高。　　(2)两相喷雾在喷雾条件保持恒定,初始温度为900℃的情况下,Sq-W样品获得最大冷却速率达166.21 oC/s,结构化表面 Str-W的样品和结构化表面 Py-的样品以及光滑表面 Fl的样品对冷却速率无明显提升。同时,采用结构化表面 Py-N, Sq-N以及 Str-N的样品在增加样品初始温度的情况下表现出冷却速率上升的趋势。此外,除宽金字塔鳍状结构化表面(Py-W)样品外,所有样品的最大冷却速率均随初始样品温度的增加而上升。Sq-W结构化表面样品与光滑表面样品(Fl)相比,在温度为600 oC,700 oC,800 oC,900 oC时,其表面热流密度分别增加了1.23,1.33,1.24,1.28倍。通过观测,换热系数 h随表面过热度的降低而逐渐增加,其增加速度在表面过热度为250 oC~900 oC范围内逐渐减缓,最大换热系数的值随样品初始温度的升高而呈现出降低趋势。　　(3)通过改变单相喷雾的喷雾条件和表面温度,对结构化表面的换热性能进行探究。实验采用两个不同结构化表面的圆柱型不锈钢样品,其中一个采用金字塔鳍状结构化表面(Py-W)另一个为光滑表面。在入口压力为1.0MPa,样品初始平均温度为600 oC,700 oC,800 oC,900 oC的情况下,表面热流密度分别为3.599 MW/m2,3.464 MW/m2,3.929 MW/m2,4.898 MW/m2。在入口压力为0.7MPa,样品初始温度为900℃时,结构化表面样品最大冷却速率为506.8 oC/s,而光滑表面样品在入口压力1.0MPa,样品初始温度700℃情况下,最大冷却速率为355.8 oC/s。结果表明,结构化表面样品在样品初始温度为900℃,入口压力分别为0.4 MPa,,0.7 MPa,1.0 MPa,1.3 MPa的情况下,其表面热流密度较相同情况下光滑表面样品分别提升1.9,1.56,1.66,1.74倍,其换热性能优于光滑表面。此外,对于光滑表面,当初始样品温度升高至600 oC到900 oC时,观察到热流量呈降低趋势。　　简而言之,结构化表面在喷雾冷却中应用于高温环境下不锈钢元器件的保护技术,如核安全,液化天然气储罐,压力容器等领域和场合,相关报道还十分有限。关于临界液滴尺寸和样品厚度的实验逆热传导研究还为数甚少,本文的研究对喷雾冷却领域的进一步研究和结构化金属表面喷雾冷却高温保护应用提供了参考。