微細通道內蒸汽直接接觸間歇凝結壓力振蕩特性

李樹謙，張超群，張東，侯娜娜，張猛，馬坤茹

（1 河北水利電力學院土木工程系，河北 滄州 061001；2 河北省數據中心相變熱管理技術創新中心，河北 滄州 061001；3 滄州市儲熱及低品位余熱利用型電磁供熱技術創新中心，河北 滄州 061001；4 河北建筑工程學院能源工程系，河北 張家口 075132；5 河北科技大學建筑工程學院，河北 石家莊 050018）

蒸汽直接接觸凝結（direct contact condensation，DCC）是蒸汽與過冷水接觸時發生的一種劇烈熱質傳遞現象，由于相間無熱阻而具有極高的熱質傳遞速率被廣泛應用于核反應堆、過程工業與節能工程等領域[1-3]。

目前，無論是大池還是管道流動中的DCC，其研究范疇基本集中在宏觀尺度。例如，Chan 和Lee[4]開展了蒸汽射入大池的實驗研究，依據汽液界面的形貌特征對流型進行了甄別并建立了凝結流型圖，典型凝結流型包括間歇凝結、泡狀凝結和射流。Aya和Nariai[5]將壓力測量實驗和理論推導相結合，提出了Hodgime 數以鑒別間歇凝結和其他流型。Chun 等[6]通過可視化和壓力測量實驗發現了6 種不同的流型：間歇凝結、過渡段、振蕩凝結、泡狀凝結、穩定凝結以及界面振蕩凝結。Ju等[7]通過蒸汽直接接觸的可視化實驗建立了凝結流型圖，并發現隨著蒸汽流量的增大，間歇凝結與亞聲速射流的邊界向著蒸汽管道直徑增大的方向偏移。Qiu等[8]開展了低質量流率蒸汽垂直向上入射至過冷水的可視化實驗，在不同的汽水參數下分別觀察到了間歇凝結、光滑表面氣泡凝結和粗糙表面凝結3種流型。Youn等[9]開展了蒸汽水平通入過冷水的壓力測量實驗，研究發現在間歇凝結流型中存在間歇性的高壓脈沖。Chong等[10]對蒸汽自水平管噴入大池的間歇凝結過程進行了研究并獲取了蒸汽管道和大池的壓力時域信號，發現管內凝結會對管道產生一個較大的壓力峰值，大池內氣泡破裂會對大池產生一個較大的壓力荷載，并指出不同間歇凝結周期的壓力脈沖具有隨機性。Zhao等[11]對單噴嘴亞聲速射流壓力振蕩進行了探究，指出界面不穩定波動是產生壓力振蕩的原因。

以往關于DCC 的研究重點主要集中在宏觀范疇[12-14]，且其研究多圍繞抑制間歇凝結現象的發生而展開。近年的研究表明，尺度效應對于流動阻力特性與傳熱特性具有顯著影響[15-16]。微細尺度條件下的DCC 有望應用于高熱通量電子器件的熱管理領域，這是以往宏觀尺度條件下DCC 研究中未曾涉及的。例如，有研究者[17-19]已研發出微通道蒸汽直接接觸凝結散熱裝置樣機，其原理是利用微細尺度下間歇凝結產生的壓力振蕩提高流動換熱效率。本文作者課題組的侯娜娜等[20]對微細通道內蒸汽直接接觸汽液界面的波動行為進行了可視化研究，發現微通道下間歇凝結過程中氣泡發生了多次“頸縮”現象。張猛等[21]進一步揭示了微細通道內蒸汽直接接觸凝結過程中“局部收縮”和“內爆”導致的速度振蕩和相界面演變機理。作為課題的延續，本文針對微細通道內蒸汽直接接觸間歇凝結過程壓力振蕩特性及其受汽液界面波動的影響機制進行研究。由于汽水參數的改變會影響凝結流型，經過前期的多次實驗探究，選擇了具有典型間歇凝結的特定工況進行分析，以期在一定程度上豐富微細尺度DCC 流動換熱現象的研究內容，并為新型高效微通道散熱器件的研發提供一定的理論依據。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統及裝置

圖1為三維實驗系統圖。實驗系統由蒸汽發生系統、過冷水雙循環系統、圖像采集系統、溫度采集系統、壓力采集系統及T 型微細通道實驗段組成。在T型微細通道實驗段過冷水進出口分別布置熱電偶，以進口處溫度穩定在所需數值作為實驗數據測量的前提之一。

圖1 實驗系統

圖2為實驗段三維模型，該實驗段為T型透明石英玻璃管，主要參數均在圖中給出。因蒸汽凝結主要發生在主支管相交附近處，為應力集中區域，因此在豎直支管出口正對的主管內壁處（PC1）設置高頻微壓傳感器用于監測蒸汽直接接觸間歇凝結過程的瞬時壓力振蕩。

圖2 實驗段模型

1.2 實驗過程及工況

實驗過程概述如下：首先，啟動蠕動泵正循環模式給電加熱水箱中注滿水。隨后分別設定電加熱水箱及恒溫水浴箱加熱溫度為100℃并持續加熱0.5h，隨后將兩個溫度設置為95℃并持續6h，以盡可能去除純凈水和去離子水中的空氣。然后運行過冷水逆循環系統同時開啟精密雙柱塞泵和精密汽化器并持續10min，該步驟的目的一方面是為了消除微細通道的熱慣性，另一方面是為了消除管路內部殘留的空氣。待實驗系統穩定運行后（即過冷水入口端溫度穩定在實驗所需的數值），依次打開LED背光源、高速攝像機、圖像采集軟件、NI采集器、電源、工控機、溫度壓力采集軟件，進而獲取蒸汽直接接觸間歇凝結過程中汽液界面波動原始圖像和溫度壓力時域信號，主要設備參數見表1。此外，還需說明：對整個蒸汽輸送管段進行了100℃的持續伴熱并且用10mm厚玻璃纖維保溫棉包裹，目的是防止蒸汽在進入實驗段前冷凝。實驗工況見表2，其中過冷水在發生直接接觸現象之前的雷諾數（Re）為290.23［雷諾數的計算方法見式(1)］。另外在該工況下進行了3次實驗，對實驗重復性進行了檢查和驗證，結果表明3次實驗的結果高度一致。

表1 設備參數

表2 實驗工況

式中，Q為體積流量，m3/s；d為特征長度，這里為T 型微細通道的內徑，mm；ν為運動黏度，通過查表獲得，Pa·s。

1.3 不確定性分析

誤差分析基于Moffat[22]提出的不確定度分析方法，其數學描述如式(2)～式(4)。

式中，ψi為直接測量參數；-ψi為直接測量參數平均值；Δψi為測量誤差；ψm為儀表量程；a為儀表精度；N為測量次數；S(N)為標準偏差；K為置信因子；Urel為相對誤差。

據此，本實驗各參數的不確定度見表3。

表3 參數的不確定度

2 數據處理

2.1 壓力數據處理

（1）周期壓力最值處理［式(5)、式(6)］

式中，τ為壓力間歇凝結周期，實驗條件下間歇凝結的隨機性特點使得每個振蕩周期都存在差異，選取一個時間最長間歇凝結周期的時間，確保獲取的最值處于完整周期內，間歇凝結周期最大值為0.031s，因此τ=0.031s。

（2）快速傅里葉變換（FFT） 將壓力原始信號進行FFT，即由時域信號轉變為頻域信號，進而從頻域角度進行分析。

（3）壓力幅值概率分布 在蒸汽直接接觸凝結中，概率密度函數（PDF）和概率密度積分函數（CPDF）可作為流型的判據之一。壓力分布概率密度函數為某一段時間內瞬時振蕩壓力數值落在某區間概率大小的函數，壓力分布概率密度積分函數為PDF的積分。

2.2 可視化圖像處理步驟

應用MATLAB 對圖像采集系統所得到的原始圖像信息進行處理，主要分為以下幾個步驟：①原始圖像二值化處理；②對二值圖進行取反；③對取反的二值圖進行填充；④將填充圖進行去噪獲取汽液兩相區像素；⑤通過像素點數量獲取汽液兩相區截面面積。如圖3所示。

圖3 圖像處理過程

3 結果與討論

圖4(a)為蒸汽直接接觸間歇凝結壓力隨時間變化曲線，由圖可見，壓力時域振蕩呈現周期性變化，在1s 內存在11 個明顯的的波峰和波谷，因此認為在1s 內出現了11 個間歇凝結周期。進一步觀察發現，每個周期內存在壓力密集部分，以第6個周期的局部放大圖［圖4(b)］為例，可以看出在0.52～0.53s內壓力曲線出現了多次波峰和波谷。

圖4 壓力時域信號

為闡明上述周期內壓力波動產生機制，利用高速攝像機獲取了同種工況下連續3個周期主管內的汽液界面瞬時演變行為，如圖5 所示。初始階段，蒸汽自支管入射至主管與過冷水相遇后形成氣泡并逐漸增長（t=0～2.6ms），之后在t=3.2ms 時出現了局部“頸縮”現象，“頸縮”下部蒸汽潰滅，上部氣泡繼續增大。t=5.8ms 時主支管交接處出現了更為劇烈的“頸縮”。繼而，氣泡由光滑面演變為粗糙面，氣泡圖像灰度從局部加深到全部加深。在此期間，氣泡再次經歷了“頸縮”、局部潰滅，直至最后完全消失（t=7.0ms）。至于隨后的與主管內氣泡演變行為相關的兩個間歇凝結周期（t=22.2～24.8ms、68.8～72.6ms），蒸汽氣泡亦先后經歷了增大、內爆和消失等階段，并且均發現了“頸縮”后脫離和局部內爆同時存在的現象。前述氣泡經歷的“頸縮”等形貌特征，這與文獻[18]的研究結果一致。多次“頸縮”為一種汽液界面波動形式，而汽液界面波動必然導致區域內壓力的變化[11]，需要說明的是，該類型壓力波動是由于蒸汽瞬間凝結導致的“水錘”現象所導致的，與實驗運行中的調節波動無關。因此，可以推斷，“頸縮”是引起壓力大幅振蕩的主要原因，此外壓力振蕩也能夠在一定程度上反映間歇凝結的劇烈程度，其是氣液界面瞬間劇烈傳熱傳質現象的表現形式之一。

圖5 連續間歇凝結周期中主管內的汽液界面行為

通過MATLAB對原始可視化圖像進行處理，得到間歇凝結過程中氣泡二維橫截面的像素面積。圖6為0.4s內間歇凝結主管內汽泡二維橫截面積隨時間變化曲線。由圖可見，氣泡二維橫截面積隨時間推移呈周期性變化。每個周期可分為幾個典型階段，即面積增加、面積達到最大、面積減小以及面積為零，與之對應的可視化圖像過程為氣泡增大、氣泡達到最大、氣泡破裂后消失以及過冷水進入支管中。同時可以看出每個周期內出現的最大二維橫截面積不同，最大約為4.5mm2，最小在1.5mm2左右，表明間歇凝結過程氣泡尺寸的具有一定的波動性。

圖6 主管內氣泡橫截面積隨時間變化

在時域分析基礎上，進一步采用FFT對圖4中的壓力時域信號進行頻譜分析，結果如圖7 所示。觀察發現圖中存在兩個明顯的頻帶，即在0～200Hz 區域內的第一頻帶和在400Hz 附近的第二頻帶。文獻[23]將不同頻帶中最大幅值所對應的頻率稱為第一主頻、第二主頻等，據此可以判定圖7中的第一主頻為10Hz，其對應的振幅約為2.6kPa，遠高于其他頻率所對應的幅值，進一步觀察發現在第一頻帶內存在1個幅值較高的頻率，此外第一頻帶存在明顯的簡諧波，說明微細通道內DCC 過程流場紊亂程度較高，也反映了間歇凝結過程的壓力振蕩的復雜特性。此外，結合圖4(a)發現，間歇凝結周期數與第一主頻關系密切，二者數值相近。第二主頻具有高頻率、低振幅的特性，其原因可能是大氣泡內爆后的微汽泡破裂導致。

圖7 壓力頻域信號

圖8為間歇凝結壓力最值分布圖，描述了1s內連續間歇凝結周期的壓力振蕩最大值和最小值。由圖可見，連續周期內壓力振蕩的最大值在4.8～8.8kPa范圍內波動；與周期壓力最大值相比較，壓力振蕩的最小值波動范圍略大些，在-29.5～-18.4kPa之間波動，表明間歇凝結連續周期壓力峰值存在一定的不穩定性。

圖8 周期壓力最值

通過PDF 函數和CPDF 函數可以分別進一步分析凝結壓力的分布情況和某個幅值出現的概率。圖9為1s內壓力振蕩的概率密度分布函數（PDF）和概率密度積分函數（CPDF），可以看出，-30～-4kPa范圍內的壓力的概率密度很小，在0～10%范圍內，并在2.5kPa 出現峰值，概率密度為42%。結合圖4可以解釋上述現象：圖4(a)中可以發現壓力在2.5kPa左右出現的次數最多，而在-30～-4kPa范圍內只存在壓力瞬變。概率密度積分在該區間的增長量為該區間的概率密度，所以其增長驟緩程度隨著概率密度的變化而變化。通過CPDF 函數可以清楚看出凝結壓力振蕩的壓力幅值在此工況下出現的概率。

圖9 間歇凝結壓力的PDF和CPDF

4 結論

基于T 型微細通道內蒸汽直接接觸凝結壓力測量及可視化實驗臺，利用高頻微壓傳感器和高速攝像機獲取了飽和蒸汽質量流量0.45g/min、蒸汽溫度100℃、過冷水質量流量12.65g/min 及過冷水溫度40℃典型工況下PC1 處直接接觸凝結過程的瞬時壓力信號和兩相界面波動圖像，主要結論如下。

（1）間歇凝結瞬時壓力振蕩顯著劇烈，呈現明顯的周期性，并且在1s 內出現了11 個間歇凝結周期。同時發現在單個周期內壓力時域曲線出現了多次波峰和波谷。

（2）單次周期內的壓力經歷了多次幅度較大的振蕩，該現象可能是在一個周期內主管內的氣泡出現多次“頸縮”現象所致。

（3）從頻域角度對間歇凝結壓力振蕩進行分析發現存在兩個明顯的頻帶，與之對應的第一主頻和第二主頻分別為10Hz 和427Hz。此外，發現第一主頻和1s內的間歇凝結周期數相近。

（4）單次周期內壓力振蕩較為劇烈，與連續周期內壓力振蕩的最大值相比壓力振蕩的最小值波動范圍略大些，發現最大值和最小值分別在4.8～8.8kPa、-29.5～-18.4kPa范圍內波動。此外，壓力值出現在2.5kPa的概率密度最大，為42%。