表贴式自循环蒸发冷却系统流动不稳定性实验平台设计

陈 楹，阮 琳*，曾向君

(1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100190；3.南方电网科学研究院有限责任公司，广州 510000)

现代电力电子器件正向着高频、大功率和高集成化方向发展，其工作过程中所产生的损耗，会使其温度升高，从而影响其可靠性[1]。采用有机绝缘工质的表贴式自循环蒸发冷却系统，由于其自循环、功耗低、冷却效率高等特点，可以很好地满足电力电子设备的散热需求[2]。

表贴式自循环蒸发冷却系统利用液体汽化吸热的原理来冷却发热部件，介质的相变潜热比单相流体的比热大得多，冷却效果更加显著。表贴式自循环蒸发冷却系统换热效率高；结构简单，与发热部件紧密贴合；无需外界驱动力，可靠性高。其在模块化、集成化的电力电子模块散热领域的应用前景非常广阔[3-5]。然而在实际应用中，两相流动自循环系统在运行过程中可能存在两相流流动不稳定性问题。两相流流动不稳定性会导致系统循环流量的骤然减小或者剧烈波动，从而导致液盒底板各位置的温度急剧升高或周期性变化，与液盒紧密贴合的发热部件的温度亦受其影响。除此之外，持续的流动振荡会使部件可能遭受有害的机械振动，还会使部件的局部热应力产生周期性变化，这些都将导致部件的疲劳损坏。

文献[6-7]以圆管为研究对象对两相自然循环流动不稳定性问题进行了机理性实验研究。文献[8]以水为工质，在常压下对细长回路的自然循环系统进行实验研究，详细分析了其运行特性和不稳定性机理。文献[9]在5 MW低温核供热堆热工水力学模拟回路上研究了间歇流量振荡的条件及机理。文献[10]针对以水为工质的矩形窄通道自然循环系统开展了流动不稳定性实验研究，对沸腾转变阶段的流动不稳定性的机理进行了探讨。

当前对两相流流动不稳定性的研究大多是以圆管或者矩形窄通道为研究对象，且大多以水为工质，鲜有针对使用蒸发冷却介质的表贴式自循环蒸发冷却系统的研究。以表贴式自循环蒸发冷却系统流动不稳定性为研究目标，阐述了流动不稳定性实验平台的结构及原理，在此平台上探究了表贴式自循环蒸发冷却系统中流量随加热功率变化的趋势，并初步探究了系统压力、液位高度、并联支路数对系统的影响。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

实验回路和实验装置分别如图1、图2所示。主要包括测量仪表、联箱、实验段、冷凝器、水箱、数据采集系统。实验参数的采集由FLUKE 2686A数据采集系统实现。测量仪表包括：T型热电偶、温度传感器、压力传感器以及涡轮流量计。实验平台通过联箱和堵头的不同组合方式实现不同并联支路数的实验研究。实验介质采用的是实验室数据库中的ZXB-16。该介质沸点适中、绝缘性好、安全环保，且对实验回路无腐蚀。

图1 实验回路

图2 实验装置

图3 实验段

实验段结构如图3所示。实验段由发热铜块、液盒、保温层以及外壳组成。液盒由亚克力板、密封圈、铝制主体构成。亚克力板透明度极佳，用于可视化，观察液盒内部沸腾情况。铝制主体的通道部分宽度W=130 mm(与加热宽度一致)，深度H=26 mm，长度L=140 mm(与加热长度一致)。保温层采用聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫导热系数仅为0.020～0.023 W/(m·K)，保温效果良好，且易加工，使用温度为-100～100 ℃[11]。外壳采用酚醛树脂，起支撑实验段的作用。

实验段入口的体积流量由涡轮流量计测量，量程：0～120 L/h，精度为±1%。实验回路中各点压强用压力传感器测定，量程：0.05～0.1 MPa，精度为±0.2%。实验回路中的各点温度由温度传感器采集，量程：0～100 ℃，精度为±0.2%。实验段采用给发热铜块通电的方式来实现加热。实验段的温度由T型热电偶测量，其侧边和底面的热电偶的布置如图4所示。底面和侧面分别布置6个和4个热电偶。

图4 热电偶布置

1.2 实验方法

实验通过对比不同系统压力、不同液位、不同并联支路数的实验结果来分析这三者对流动不稳定性的影响。采用步进式加热法，每次增加10～50 W，每次调节后，静置系统一段时间，待其平衡后，观察实验现象，记录数据，若系统不能平衡到某一稳态，而是发生流量漂移或是流量、温度等参数的自持振荡，则说明系统发生了流动不稳定现象，观察实验现象，记下该工况下的数据。多支路实验在进行过程中，同步增加各支路加热功率。

(1)断开两侧的支路，在支路2(2号实验段)上进行单支路实验。

(2)断开中间支路，在支路1、支路3(1号、3号实验段)上进行双支路实验。

(3)接上3个支路(1号、2号、3号实验段)，进行三支路实验。

1.3 实验工况

实验工况如表1所示。

表1 实验工况

2 实验现象

2.1 流量变化

在自然循环回路中，实验段受热，液盒中部分工质由液态变为气态，在实验段中形成了气液混合物，回液管中的工质依旧为单相液体。气液混合物的密度小于单相液体的密度，二者密度差产生的驱动力，使得工质在回路中循环流动。

在单支路实验中，随着加热功率的不断增加，流量变化如图5所示。实验结果表明，对于曲线的上升阶段，在较小的加热功率条件下，随着加热功率的增加，系统自然循环流量逐渐增加，这是由于随着加热功率的增加，实验段热平衡干度增大，实验段内持续产生的气泡引起空泡份额的不断增大，从而导致实验段气液混合物的密度明显减小，同时回液管中流体密度几乎不变，二者的密度差显著增加，在浮升力的作用下，循环流量不断增大。随着加热功率的继续增大，空泡份额的增大速度变得相对缓慢，空泡份额的增加，一方面增大了系统的浮升力，另一方面会导致两相流动的阻力增加，当浮升力和流动阻力的差值达到了最大值时，系统循环流量达到最大值。当空泡份额的增加对两相流动阻力增加的贡献大于对浮升力的贡献时，自然循环流量就会随着加热功率的增大而减小。

图5 单支路流量

2.2 实验中出现的流动不稳定现象

在实验过程中出现了间歇泉、低频流量振荡以及管间脉动三种流动不稳定现象。

2.2.1 间歇泉流动不稳定现象

图6 间歇泉流动不稳定性

在单支路实验中，在图5的起始阶段(0～6 000 s)，随着加热功率的增大，自然循环系统首先会出现间歇泉流动不稳定现象，如图6所示。这种不稳定现象常出现于自然循环系统的启动阶段。启动阶段，加热功率较小时，实验段内流体不断吸收热量，当加热壁面温度高于实验段内流体饱和温度时，壁面附近开始产生少量气泡，此时实验段内两相流体与下降段内流体的密度差所产生的驱动力较小，不足以克服自循环系统内的阻力，实验段内流体处于蓄热状态，随着热量的持续输入，实验段内气泡明显增加，气泡进入上升管中，以“喷泉”的方式涌出液面，与此同时，下降段的冷流体进入实验段内，形成波动。气泡涌出后，系统的驱动力又不足以克服阻力，继续以上过程，形成间歇泉。

继续增大加热功率，系统将趋于稳定，此时有大量的气泡产生，系统的驱动力已足以克服阻力，形成较为稳定的自循环。

2.2.2 低频流量振荡

在单支路实验中，在流量随加热功率增大而减小的区间内，发生了低频流量振荡。当加热功率超过一定值后，如图5所示，从41 700 s开始，自然循环系统发生低频流量振荡，流量开始剧烈振荡，其流量变化过程如图7所示。截取其中一段波形，流量与温度的振荡情况如图8所示，低频流量振荡具有明显的周期性，其脉动周期13～14 s，虽然流量振荡剧烈，但温度波动范围在0.4 ℃以内，这可能会对控温精度要求较高的系统产生不利影响，但对本文的研究目标几乎无影响。

图7 低频流量振荡的发生过程

图8 低频流量振荡

2.2.3 管间脉动

在多支路实验中，除了间歇泉流动不稳定性和低频流量振荡，随着加热功率的增大，双支路和三支路实验过程中，还出现了管间脉动，即各支路的脉动基本等幅值，但有着相位差。以三支路为例，如图9所示为三支路实验中各支路加热功率为 627 W 时的管间脉动现象，三支路各支路脉动周期为19～24 s，2号和3号实验段流量脉动的相位相同，1号流量脉动与它们的相位相差180°。

2.3 系统压力、液位、并联支路数对系统的影响

相较于间歇泉流动不稳定性，在加热功率较高时存在的低频流量振荡和管间脉动对冷却系统的可靠性影响较大。所以着重研究各参数对低频流量振荡和管间脉动的影响规律。

图9 管间脉动

数据标准差可以表征一个数据集的离散程度，标准差越大，数据点越分散，应用于流量脉动曲线中，标准差越大即意味着流量振荡越剧烈，本实验中，可通过标准差对各工况进行分析，从而更清晰地判别低频流量振荡发生的工况。

(1)

如图10所示为单支路实验段在系统压力为0、10 kPa时的入口流量标准差，标准差突然增大的点，就是发生流动不稳定现象的工况。0 kPa时，发生流动不稳定现象的功率为1 704 W。10 kPa时，发生流动不稳定现象的功率为1 752 W。

图10 不同压力下流量标准差随加热功率的变化

由图10可知，系统压力增加，发生流动不稳定性的加热功率也增加，系统压力升高有助于提高系统的稳定性。

如图11所示为实验段底面中心温度曲线，虽然系统压力的提高有助于提高系统的稳定性，但同时会导致壁面中心温度的升高。在实际应用中，液盒壁面的温度越低越好，冷却系统的设计要综合考虑流动不稳定性和壁面温度。

图11 不同压力下底面中心温度随加热功率的变化

图12 不同压力下平均流量随加热功率的变化

图13 不同液位下流量标准差随加热功率的变化

单支路在不同压力下平均流量随加热功率的变化趋势如图12所示。在实验条件下，系统压力变化对平均流量的最大值影响不大，在流量的上升段，随着压力升高，流量减小，这是因为系统压力的增加，使得实验段两相流与下降段单相液体的密度差减小，系统浮升力随之减小，流量也随之减小。

如图13所示，液位1.49 m时，发生流动不稳定现象的加热功率为1 704 W，液位1.16 m时，发生流动不稳定现象的加热功率为1 417 W，液位高的系统出现流动不稳定现象的加热功率更大。由此可见，液位的升高，有助于系统的稳定。

图14 不同支路数下流量标准差随加热功率的变化

如图14所示，流量标准差突增的点分别对应发生流动不稳定现象的工况。多支路实验中，各支路同时发生流动不稳定现象，且振幅、周期相近，可任意选取某一支路的参数进行研究。选取双支路、三支路实验中1号实验段的流量标准差以及单支路的流量标准差进行比较，单支路发生流动不稳定现象时的加热功率为1 704 W，双支路发生流动不稳定现象时每个支路的加热功率为708 W，三支路发生流动不稳定现象时每个支路的加热功率为512 W。由此可见，并联支路数的增多会导致每个支路发生流动不稳定现象的功率下降。

3 结论

建立表贴式自循环蒸发冷却系统流动不稳定性实验平台，并进行初步实验，得到以下结论。

(1)在表贴式自循环蒸发冷却系统中，存在间歇泉流动不稳定性、低频流量振荡以及管间脉动。

(2)自然循环流量随着加热功率的增大，先增大后减小。

(3)系统压力增加，发生流动不稳定现象的加热功率也增加，系统压力升高有助于提高系统的稳定性。

(4)液位高的系统出现流动不稳定现象的加热功率更大，液位升高，有助于系统的稳定。并联支路数的增多会导致每个支路发生流动不稳定现象的加热功率减小。

以上研究有助于探明流动不稳定性影响因素，从而提高表贴式自循环蒸发冷却系统在电力电子设备上应用的可靠性。