表貼式自循環蒸發冷卻系統流動不穩定性實驗平臺設計

陳 楹，阮 琳*，曾向君

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100190；3.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510000)

現代電力電子器件正向著高頻、大功率和高集成化方向發展，其工作過程中所產生的損耗，會使其溫度升高，從而影響其可靠性[1]。采用有機絕緣工質的表貼式自循環蒸發冷卻系統，由于其自循環、功耗低、冷卻效率高等特點，可以很好地滿足電力電子設備的散熱需求[2]。

表貼式自循環蒸發冷卻系統利用液體汽化吸熱的原理來冷卻發熱部件，介質的相變潛熱比單相流體的比熱大得多，冷卻效果更加顯著。表貼式自循環蒸發冷卻系統換熱效率高；結構簡單，與發熱部件緊密貼合；無需外界驅動力，可靠性高。其在模塊化、集成化的電力電子模塊散熱領域的應用前景非常廣闊[3-5]。然而在實際應用中，兩相流動自循環系統在運行過程中可能存在兩相流流動不穩定性問題。兩相流流動不穩定性會導致系統循環流量的驟然減小或者劇烈波動，從而導致液盒底板各位置的溫度急劇升高或周期性變化，與液盒緊密貼合的發熱部件的溫度亦受其影響。除此之外，持續的流動振蕩會使部件可能遭受有害的機械振動，還會使部件的局部熱應力產生周期性變化，這些都將導致部件的疲勞損壞。

文獻[6-7]以圓管為研究對象對兩相自然循環流動不穩定性問題進行了機理性實驗研究。文獻[8]以水為工質，在常壓下對細長回路的自然循環系統進行實驗研究，詳細分析了其運行特性和不穩定性機理。文獻[9]在5 MW低溫核供熱堆熱工水力學模擬回路上研究了間歇流量振蕩的條件及機理。文獻[10]針對以水為工質的矩形窄通道自然循環系統開展了流動不穩定性實驗研究，對沸騰轉變階段的流動不穩定性的機理進行了探討。

當前對兩相流流動不穩定性的研究大多是以圓管或者矩形窄通道為研究對象，且大多以水為工質，鮮有針對使用蒸發冷卻介質的表貼式自循環蒸發冷卻系統的研究。以表貼式自循環蒸發冷卻系統流動不穩定性為研究目標，闡述了流動不穩定性實驗平臺的結構及原理，在此平臺上探究了表貼式自循環蒸發冷卻系統中流量隨加熱功率變化的趨勢，并初步探究了系統壓力、液位高度、并聯支路數對系統的影響。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗回路和實驗裝置分別如圖1、圖2所示。主要包括測量儀表、聯箱、實驗段、冷凝器、水箱、數據采集系統。實驗參數的采集由FLUKE 2686A數據采集系統實現。測量儀表包括：T型熱電偶、溫度傳感器、壓力傳感器以及渦輪流量計。實驗平臺通過聯箱和堵頭的不同組合方式實現不同并聯支路數的實驗研究。實驗介質采用的是實驗室數據庫中的ZXB-16。該介質沸點適中、絕緣性好、安全環保，且對實驗回路無腐蝕。

圖1 實驗回路

圖2 實驗裝置

圖3 實驗段

實驗段結構如圖3所示。實驗段由發熱銅塊、液盒、保溫層以及外殼組成。液盒由亞克力板、密封圈、鋁制主體構成。亞克力板透明度極佳，用于可視化，觀察液盒內部沸騰情況。鋁制主體的通道部分寬度W=130 mm(與加熱寬度一致)，深度H=26 mm，長度L=140 mm(與加熱長度一致)。保溫層采用聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫導熱系數僅為0.020～0.023 W/(m·K)，保溫效果良好，且易加工，使用溫度為-100～100 ℃[11]。外殼采用酚醛樹脂，起支撐實驗段的作用。

實驗段入口的體積流量由渦輪流量計測量，量程：0～120 L/h，精度為±1%。實驗回路中各點壓強用壓力傳感器測定，量程：0.05～0.1 MPa，精度為±0.2%。實驗回路中的各點溫度由溫度傳感器采集，量程：0～100 ℃，精度為±0.2%。實驗段采用給發熱銅塊通電的方式來實現加熱。實驗段的溫度由T型熱電偶測量，其側邊和底面的熱電偶的布置如圖4所示。底面和側面分別布置6個和4個熱電偶。

圖4 熱電偶布置

1.2 實驗方法

實驗通過對比不同系統壓力、不同液位、不同并聯支路數的實驗結果來分析這三者對流動不穩定性的影響。采用步進式加熱法，每次增加10～50 W，每次調節后，靜置系統一段時間，待其平衡后，觀察實驗現象，記錄數據，若系統不能平衡到某一穩態，而是發生流量漂移或是流量、溫度等參數的自持振蕩，則說明系統發生了流動不穩定現象，觀察實驗現象，記下該工況下的數據。多支路實驗在進行過程中，同步增加各支路加熱功率。

(1)斷開兩側的支路，在支路2(2號實驗段)上進行單支路實驗。

(2)斷開中間支路，在支路1、支路3(1號、3號實驗段)上進行雙支路實驗。

(3)接上3個支路(1號、2號、3號實驗段)，進行三支路實驗。

1.3 實驗工況

實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況

2 實驗現象

2.1 流量變化

在自然循環回路中，實驗段受熱，液盒中部分工質由液態變為氣態，在實驗段中形成了氣液混合物，回液管中的工質依舊為單相液體。氣液混合物的密度小于單相液體的密度，二者密度差產生的驅動力，使得工質在回路中循環流動。

在單支路實驗中，隨著加熱功率的不斷增加，流量變化如圖5所示。實驗結果表明，對于曲線的上升階段，在較小的加熱功率條件下，隨著加熱功率的增加，系統自然循環流量逐漸增加，這是由于隨著加熱功率的增加，實驗段熱平衡干度增大，實驗段內持續產生的氣泡引起空泡份額的不斷增大，從而導致實驗段氣液混合物的密度明顯減小，同時回液管中流體密度幾乎不變，二者的密度差顯著增加，在浮升力的作用下，循環流量不斷增大。隨著加熱功率的繼續增大，空泡份額的增大速度變得相對緩慢，空泡份額的增加，一方面增大了系統的浮升力，另一方面會導致兩相流動的阻力增加，當浮升力和流動阻力的差值達到了最大值時，系統循環流量達到最大值。當空泡份額的增加對兩相流動阻力增加的貢獻大于對浮升力的貢獻時，自然循環流量就會隨著加熱功率的增大而減小。

圖5 單支路流量

2.2 實驗中出現的流動不穩定現象

在實驗過程中出現了間歇泉、低頻流量振蕩以及管間脈動三種流動不穩定現象。

2.2.1 間歇泉流動不穩定現象

圖6 間歇泉流動不穩定性

在單支路實驗中，在圖5的起始階段(0～6 000 s)，隨著加熱功率的增大，自然循環系統首先會出現間歇泉流動不穩定現象，如圖6所示。這種不穩定現象常出現于自然循環系統的啟動階段。啟動階段，加熱功率較小時，實驗段內流體不斷吸收熱量，當加熱壁面溫度高于實驗段內流體飽和溫度時，壁面附近開始產生少量氣泡，此時實驗段內兩相流體與下降段內流體的密度差所產生的驅動力較小，不足以克服自循環系統內的阻力，實驗段內流體處于蓄熱狀態，隨著熱量的持續輸入，實驗段內氣泡明顯增加，氣泡進入上升管中，以“噴泉”的方式涌出液面，與此同時，下降段的冷流體進入實驗段內，形成波動。氣泡涌出后，系統的驅動力又不足以克服阻力，繼續以上過程，形成間歇泉。

繼續增大加熱功率，系統將趨于穩定，此時有大量的氣泡產生，系統的驅動力已足以克服阻力，形成較為穩定的自循環。

2.2.2 低頻流量振蕩

在單支路實驗中，在流量隨加熱功率增大而減小的區間內，發生了低頻流量振蕩。當加熱功率超過一定值后，如圖5所示，從41 700 s開始，自然循環系統發生低頻流量振蕩，流量開始劇烈振蕩，其流量變化過程如圖7所示。截取其中一段波形，流量與溫度的振蕩情況如圖8所示，低頻流量振蕩具有明顯的周期性，其脈動周期13～14 s，雖然流量振蕩劇烈，但溫度波動范圍在0.4 ℃以內，這可能會對控溫精度要求較高的系統產生不利影響，但對本文的研究目標幾乎無影響。

圖7 低頻流量振蕩的發生過程

圖8 低頻流量振蕩

2.2.3 管間脈動

在多支路實驗中，除了間歇泉流動不穩定性和低頻流量振蕩，隨著加熱功率的增大，雙支路和三支路實驗過程中，還出現了管間脈動，即各支路的脈動基本等幅值，但有著相位差。以三支路為例，如圖9所示為三支路實驗中各支路加熱功率為 627 W 時的管間脈動現象，三支路各支路脈動周期為19～24 s，2號和3號實驗段流量脈動的相位相同，1號流量脈動與它們的相位相差180°。

2.3 系統壓力、液位、并聯支路數對系統的影響

相較于間歇泉流動不穩定性，在加熱功率較高時存在的低頻流量振蕩和管間脈動對冷卻系統的可靠性影響較大。所以著重研究各參數對低頻流量振蕩和管間脈動的影響規律。

圖9 管間脈動

數據標準差可以表征一個數據集的離散程度，標準差越大，數據點越分散，應用于流量脈動曲線中，標準差越大即意味著流量振蕩越劇烈，本實驗中，可通過標準差對各工況進行分析，從而更清晰地判別低頻流量振蕩發生的工況。

(1)

如圖10所示為單支路實驗段在系統壓力為0、10 kPa時的入口流量標準差，標準差突然增大的點，就是發生流動不穩定現象的工況。0 kPa時，發生流動不穩定現象的功率為1 704 W。10 kPa時，發生流動不穩定現象的功率為1 752 W。

圖10 不同壓力下流量標準差隨加熱功率的變化

由圖10可知，系統壓力增加，發生流動不穩定性的加熱功率也增加，系統壓力升高有助于提高系統的穩定性。

如圖11所示為實驗段底面中心溫度曲線，雖然系統壓力的提高有助于提高系統的穩定性，但同時會導致壁面中心溫度的升高。在實際應用中，液盒壁面的溫度越低越好，冷卻系統的設計要綜合考慮流動不穩定性和壁面溫度。

圖11 不同壓力下底面中心溫度隨加熱功率的變化

圖12 不同壓力下平均流量隨加熱功率的變化

圖13 不同液位下流量標準差隨加熱功率的變化

單支路在不同壓力下平均流量隨加熱功率的變化趨勢如圖12所示。在實驗條件下，系統壓力變化對平均流量的最大值影響不大，在流量的上升段，隨著壓力升高，流量減小，這是因為系統壓力的增加，使得實驗段兩相流與下降段單相液體的密度差減小，系統浮升力隨之減小，流量也隨之減小。

如圖13所示，液位1.49 m時，發生流動不穩定現象的加熱功率為1 704 W，液位1.16 m時，發生流動不穩定現象的加熱功率為1 417 W，液位高的系統出現流動不穩定現象的加熱功率更大。由此可見，液位的升高，有助于系統的穩定。

圖14 不同支路數下流量標準差隨加熱功率的變化

如圖14所示，流量標準差突增的點分別對應發生流動不穩定現象的工況。多支路實驗中，各支路同時發生流動不穩定現象，且振幅、周期相近，可任意選取某一支路的參數進行研究。選取雙支路、三支路實驗中1號實驗段的流量標準差以及單支路的流量標準差進行比較，單支路發生流動不穩定現象時的加熱功率為1 704 W，雙支路發生流動不穩定現象時每個支路的加熱功率為708 W，三支路發生流動不穩定現象時每個支路的加熱功率為512 W。由此可見，并聯支路數的增多會導致每個支路發生流動不穩定現象的功率下降。

3 結論

建立表貼式自循環蒸發冷卻系統流動不穩定性實驗平臺，并進行初步實驗，得到以下結論。

(1)在表貼式自循環蒸發冷卻系統中，存在間歇泉流動不穩定性、低頻流量振蕩以及管間脈動。

(2)自然循環流量隨著加熱功率的增大，先增大后減小。

(3)系統壓力增加，發生流動不穩定現象的加熱功率也增加，系統壓力升高有助于提高系統的穩定性。

(4)液位高的系統出現流動不穩定現象的加熱功率更大，液位升高，有助于系統的穩定。并聯支路數的增多會導致每個支路發生流動不穩定現象的加熱功率減小。

以上研究有助于探明流動不穩定性影響因素，從而提高表貼式自循環蒸發冷卻系統在電力電子設備上應用的可靠性。