微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面运动特性

张猛，李树谦，张东，马坤茹

（1 河北科技大学建筑工程学院，河北 石家庄 050018；2 河北水利电力学院土木工程系，河北 沧州 061001；3 河北省数据中心相变热管理技术创新中心，河北 沧州 061001；4 沧州市储热及低品位余热利用型电磁供热技术创新中心，河北 沧州 061001）

蒸汽直接接触冷水凝结（direct contact condensation，DCC）作为一种效率极高的传热方式广泛存在于化工、核电、海水淡化等领域，近几十年来，众多研究人员在凝结流型、换热特性、压力振荡等方面对于DCC开展了广泛研究。例如，叶书艳等基于DCC的压力特性并采用神经网络模型提出一种流型识别方法，准确识别了间歇振荡、界面振荡、气泡振荡、稳定凝结4种流型；唐继国等通过可视化研究发现，蒸汽泡表面波动程度与蒸汽的体积流量正相关，并且在汽泡破裂时产生大量微小汽泡；Villanueva 等提出采用数作为蒸汽直接接触凝结的量纲为1振幅及振荡频率的标度准则；储小娜等应用可视化手段及图像处理技术定量获取了蒸汽旋转射流汽液界面速度特性，同时发现界面波动速度幅度和波动周期与蒸汽质量流量负相关，其不稳定性与过冷水温度正相关。

前述DCC 的研究尺度基本集中在宏观尺度，自2012 年Yang 等研究发现，利用微细通道条件下间歇凝结诱发的高频汽液两相流振荡能够使流动沸腾临界热通量得到显著提高，使之在超高热通量电子器件散热领域具有独特的应用前景。在此理论构架下，Ma 等开发了概念级的微电子机械系统（MEMS）样机并对其散热性能进行了表征。然而与宏观尺度相比较，微细尺度条件下的DCC 的流动和传热机制仍处于研究的起始阶段，并且研究表明，微细尺度效应对于流动和传热具有重要的影响。为此，本文作者课题组近两年来对微细通道内蒸汽直接接触凝结进行了一系列研究，侯娜娜等利用可视化实验台发现了蒸汽泡在间歇凝结过程中会发生“局部收缩”和“内爆”现象，而且随着过冷水温的上升，间歇凝结频率会降低。张强武基于该实验系统观察到蒸汽泡在间歇凝结过程中的7 种汽羽形状，其中柱状-泡状流在宏观尺度并未提及。

本文基于课题组的前期研究，利用高速摄像机（5000 帧/s）获取了可视化图像并应用图像批处理技术分析了相界面前端运动规律，从定量角度对蒸汽泡的汽液相界面运动特性进行了分析，进一步揭示了微细通道内蒸汽直接接触凝结界面演变的机理。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统及装置

该实验系统主要由5 部分构成（图1），分别为过冷水循环系统、蒸汽发生系统、图像采集系统、温度采集系统和可视化实验段，该实验段为石英玻璃材质，水平主管内径为1.4mm、壁厚为2.24mm，竖直支管内径为0.7mm、壁厚为2.14mm，其结构、尺寸和汽水流动示意方向如图2所示。系统中其他主要设备参数见表1。此外，进出口两侧安装经恒温水域标定的热电偶（TC1、TC2）测量过冷水进出口温度。实验段与系统的连接管路为Peek管。

表1 设备技术参数

图1 实验系统

图2 实验段

1.2 实验工况及方案

实验的汽水工况见表2。

表2 实验工况

在实验开始前需进行以下工作：开启恒温水域箱和电加热水箱，设定水域温度为100℃；4h后关闭电加热水箱加热模块，使其自然冷却至实验温度；6h 后将恒温水域箱的温度设置为98℃，实验过程中要维持其温度恒定；这一步骤是为了消除水中的不凝气体，以避免对实验结果造成影响，提高实验严谨性。在实验开始前，需将伴热带打开并设置其伴热温度为100℃，以防止蒸汽在进入实验段前液化。

具体实验方案如下：首先启动蠕动泵，控制电磁三通阀使过冷水系统以正循环模式启动，使纯净水箱中的水充满电加热水箱；随后设置水温预定值，开启电加热模块，水温达到预定值后控制电磁三通阀使逆循环模式开启，使过冷水通过实验段；待系统运行一段时间消除管路热惯性后，启动双柱塞泵，高温去离子水经精密蒸汽发生器汽化后，进入竖直支管并与水平主管内的过冷水直接接触。待实验系统运行稳定，能够清晰观察到蒸汽直接接触间歇凝结现象时（同时伴随有周期性的喘振声音），依次开启发光二极管（LED）背光源、高速摄像机及图像采集软件，本实验所采用的高速摄影帧率为5000帧/s。

过冷水进出口温度随时间变化曲线如图3 所示，可见在实验过程中进出口温度相对稳定，分别约为33℃和58℃。为提高实验结果的可重复性，同一实验工况重复了3次实验。

图3 过冷水进出口温度随时间变化曲线

1.3 不确定度分析

采用Moffat提出的可直接测量变量的不确定度分析法，具体如式(1)～式(3)所示。求得各参数的不确定度见表3。

表3 实验参数的不确定度

2 汽液相界面速度计算方法

汽液界面尺寸及速度的计算方法参考文献[11]。相界面竖直方向最低点的高度变化处理采用以下方法：采用图像处理软件ImageJ 对可视化图像进行后处理，首先批量对原始图像［如图4(a)］进行去背景、二值化和去噪操作，通过ImageJ捕捉边界获得一个矩形区域［如图4(b)］，应用ImageJ计算功能获取矩形下边界的纵向坐标，即相界面最低点坐标，以同样方法获取支管在图像内的像素数目＝126pt，主管下侧内壁坐标＝906pt。已知支管的实际长度为＝7mm，以主管下侧内壁为高度零点，设实际长度与单位像素的比例系数为、实际的相界面高度为，则图像中的各实际尺寸如式(4)、式(5)。

本实验中高速摄像机的采样率为5000帧/s，由此可知每帧可视化图像的时间间隔Δ＝0.2ms，设相界面速度为，则相界面运动参数如式(6)。

注意：当蒸汽泡发生气泡分离时，分离的气泡会影响处理结果［如图4(c)］，故将其作为噪点去除，如图4(d)。

图4 原始图像及处理后图像

3 结果与讨论

3.1 微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结的汽液相界面演变行为

图5为过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min 工况下，3 个典型周期的汽液界面演变行为的可视化图像。观察图5(a)发现，蒸汽进入主管后蒸汽泡增长至最大，而后因冷凝消失，继而过冷水被吸入支管。图5(b)中蒸汽泡增长至最大后发生了“局部收缩”现象。图5(c)中蒸汽泡“局部收缩”后陆续发生了二次“内爆”。

图5 汽液界面演变图像

对比上述典型周期内的汽液相界面演变过程发现，即便是在同一种汽水工况下，不同凝结周期内的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大时的形貌、蒸汽泡的溃灭特性及过冷水被吸入支管高度均有很大差异。进一步观察发现，图5(a)中气泡的相界面边缘较为光滑，而图5(b)和图5(c)中的气泡最大时相界面边缘相对粗糙，且“局部收缩”后的气泡分离和“内爆”瞬间，相界面颜色显著加深，这可能是该区域为分散的微小蒸汽泡和周围的水体构成汽液两相区，由此导致的高遮光率使光线难以透过该区域所导致。

图6 为在过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min工况下，一个典型周期内相界面演变过程及多个凝结周期的各阶段时间占比的平均值。如图6 所示，将蒸汽刚进入主管时设定为零时刻，自零时刻开始，将一个凝结周期分为4 个典型阶段：气泡增长、气泡消失、过冷水被吸入支管阶段和过冷水下降阶段，以蒸汽再次进入水平主管为一个完整周期结束。该典型周期共耗时68.4ms，在气泡消失阶段出现了“局部收缩”（=5.0ms）、气泡脱离（=5.2ms）和多次“内爆”（=5.8～6.6ms）现象。

从该周期内不同阶段的汽液相界面演变来看，0～3.6ms 时段处在蒸汽泡的增长阶段，在终了时刻气泡的形状接近圆柱。5.0ms 时刻发生“局部收缩”，此时气泡上部出现凹陷且相界面边缘颜色与之前时刻相比变浅。5.2ms发生“脱离”，此时气泡下部的气羽与上部分离，且颜色显著加深。在随后的5.8～6.6ms 时段，气泡陆续发生多次“内爆”并且颜色保持较深的状态，表明此阶段为分散的微小蒸汽泡与周围过冷水融合接触程度显著增强。在6.8ms 时刻蒸汽泡完全凝结且凝结过程仅用了1.4ms，随后过冷水进入竖直支管内并于23.0ms 时刻达到最高，其高度显著高于图5(a)中冷水进入支管的高度，综合图5和图6可以发现，蒸汽泡凝结过程中如存在“局部颈缩”或“内爆”现象，会导致过冷水进入支管的高度显著较高。

图6 汽液相界面演变全过程图像及各阶段时间占比

进一步观察发现，虽然在气泡消失阶段相界面经历了多次演变，但其总占比时间却仅为12%。

3.2 蒸汽泡前端相界面竖直方向的运动特性

图7 为在过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min工况下，1000ms 内相界面最低点高度随时间变化曲线。将水平主管内壁面高度设定为0mm，主支管相交位置处（=3.276mm）以虚线表示，以直观判断汽液界面的相对位置。由图7可见，相界面高度曲线趋势呈现出明显的周期性，可分为4个典型阶段：曲线自主支管交界线开始下降至周期内最小值、曲线上升至主支管交界线、曲线上升至周期内最大值、曲线下降至主支管交界线；结合图6中相界面的演变行为，依次对应凝结周期内4个典型阶段：气泡增长、气泡消失、过冷水被吸入支管阶段和过冷水下降阶段。据此观察图7可知，在此工况下随机选取的这1000ms内共有23个凝结周期，即凝结频率为23Hz。

图7 汽液相界面高度随时间变化曲线

对比不同周期内相界面高度的峰谷值发现，在=100ms 左右的相界面高度最高，约为32mm，而在=920ms左右的相界面高度最低，约为4mm。出现上述现象的原因如下：对比=90ms和=900ms左右的曲线谷值可知，前者的谷值较尖锐，相界面波动更为剧烈，结合图6 中5.0～6.6ms 的可视化图像可知，蒸汽泡发生“局部收缩”和“内爆”时会导致相界面高度快速变化，故曲线为较尖锐的谷值。结合图6进一步观察可知，1000ms内有15个周期的汽液相界面出现了“局部收缩”和“内爆”现象。

进一步观察发现，在每个较大的峰值（≥18mm）前均有1～2个相对较小的峰值。为了更直观地描述这一现象，以图7中连续3个高度波动周期为例进行说明，如图8所示。

图8 连续3个周期内相界面高度随时间变化曲线

图8 描述了193.6～295.6ms 时段内高度变化曲线及高度峰谷值所对应的汽液界面瞬时图像信息。由图可知，曲线峰值所对应的周期内过冷水被吸入支管高度达到最大，曲线谷值所对应的气泡达到最大，且在这3个连续周期内过冷水高度和气泡的最大尺寸依次增大。其主要原因分析如下：当蒸汽泡凝结后，过冷水吸入支管的高度很低时，随即补充的新鲜蒸汽会加热主支管交界的固体区域，如此反复两次后会使主支管交界处的固体区域温度升高，此时周围过冷水的温度会相对升高，致使蒸汽第3次从支管重新冲入主管且达到最大时的尺寸明显增大，而较大的蒸气泡更易发生“局部收缩”和“内爆”，使过冷水上升高度明显增大。

既往研究中极少涉及蒸汽直接接触凝结汽液界面运动的定量分析，本文在过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min 工况下，对相界面最低点瞬时速度进行了定量分析，如图9所示。

观察图9发现，相界面最低点瞬时速度曲线呈现显著的周期性和振荡性特征，虽然在1000ms 内发现了25 组明显的峰谷值，但是不同周期内的速度峰值差别较大，最大可达11m/s，最小约为2m/s；而速度谷值相对于峰值来说总体差别较小，基本处于-2～-3m/s；此外在1000ms内无长时间的零速度，这与文献[11]中所述宏观尺度汽液相界面波动情况相反，表明在微细尺度条件下汽液相界面速度振荡更为剧烈。

图9 汽液相界面速度随时间变化曲线

进一步观察发现，汽液相界面速度在极短时间内出现了瞬时转变以及较为剧烈的多次振荡（例如在=195ms左右和=262ms左右），为了阐明其中的机理，以193.6～295.6ms 时段内的相界面速度及其对应的可视化图像信息为例分析相界面演变细节，如图10所示。

观察图10 发现，在195.0～196.0ms 这一极短时段内速度出现突变，根据可视化信息，在该1.2ms时段内蒸汽泡在水平主管内依次经历了鼓胀、“局部收缩”、气泡分离、“内爆”随即又鼓胀。结合上述图像信息发现，在蒸汽泡增长阶段，汽液界面速度振荡式下降而后速度降为0，表明这一阶段的蒸汽凝结量小于蒸汽的补充量；而在随后的“局部收缩”和“内爆”阶段，相界面速度曲线变化呈骤增→骤降→骤增趋势，并且速度方向发生了3 次改变，不过由于蒸汽泡较小，相界面速度只是发生突变。

图10 连续3个周期内相界面速度随时间变化曲线

进一步观察发现，在262.0～264.0ms 内发生了多次剧烈的速度振荡，即出现了4次速度峰值，速度方向发生了4次改变。结合可视化信息发现，蒸汽泡尺寸显著大于=195.0ms，可以清楚地观察相界面的演变行为。在该4ms时段内蒸汽泡经历了鼓胀→“局部收缩”→鼓胀→“局部收缩”→“内爆”→缩小，并且蒸汽泡完全溃灭后过冷水被吸入竖直支管内。在=260.2ms 蒸汽泡增长至最大且相界面达到水平主管下内壁面，随后蒸汽泡“局部收缩”（260.4～261.0ms），蒸汽泡前端气泡分离并快速冷凝，使相界面速度骤增到约5m/s。261.2～263.0ms 蒸汽泡继续增长，随后再次“局部收缩”并出现了0.4ms的“内爆”（261.8～263.0ms），其相界面速度波动幅度与260.4～261.4ms 相似，此期间出现了两次速度峰值。结合可视化图像可知，第1次速度峰值是由“局部收缩”引起，而第2次速度峰值则是蒸汽泡“内爆”后产生了密集的微小汽泡并随之快速冷凝，致使相界面速度先骤降后骤增。最后，蒸汽泡缩小直至溃灭并将过冷水吸入支管内（263.2～264.0ms）。综合分析来看，蒸汽泡前端快速冷凝是导致相界面速度剧烈振荡的主要原因。此外，相界面速度在=263.4ms 有小幅波动，相界面速度先减小后增大；结合可视化信息可知，相界面正处于主支管交界处，其波动原因可能是由于相界面经过主支管交界处时受到了管路的局部阻力所致。

4 结论

对T形微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面运动特性进行了实验研究，获取了过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min 工况下的相界面图像信息，进一步应用图像批处理技术定性和定量分析了蒸汽泡前端相界面竖直方向的运动特性，主要结论如下。

（1）根据汽液相界面运动特征，凝结周期的典型阶段可以划分为气泡增长阶段、气泡消失阶段、过冷水被吸入竖直支管阶段和过冷水下降阶段。然而，即便是在同一种汽水工况下，不同凝结周期内的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大时的形貌、蒸汽泡的溃灭特性等方面有很大差异。

（2）获取了汽液界面前端位置随时间的瞬时变化曲线，基于该曲线发现实验工况下的凝结频率为23Hz，并且有15 个周期中汽液相界面出现了“局部收缩”和“内爆”现象。结合可视化图像进一步分析发现，曲线的峰值表明该时刻的汽液界面前端运动至支管最高位置，其最大值约为32mm、最小值约为3.5mm。通过对各凝结周期内相界面高度峰值发现，在每个较大的峰值（≥15mm）前均有1～2个相对较小的峰值。

（3）定量探究了汽液相界面速度随时间变化规律，发现在极短时间内出现了速度的瞬时转变以及较为剧烈的多次振荡，速度峰值最大可达11m/s。通过结合可视化图形进一步发现，汽液相界面的“局部收缩”和“内爆”会使蒸汽泡前端快速冷凝从而导致相界面速度剧烈振荡，但二者的冷凝方式不同：“局部收缩”时发生气泡分离，分离的气泡快速冷凝，使相界面速度骤增，而“内爆”时则先是产生密集的微气泡随后快速冷凝，使相界面速度先骤降后骤增。

——支管实际长度，mm

——支管在图像内的像素数目，pt

——不确定度

——相界面高度，mm

——置信因子

——实际长度与单位像素的比例系数

——测量次数

，——过冷水质量流量和蒸汽质量流量，g/min

——标准差

，——过冷水温度和蒸汽温度，℃

——流逝时间，ms

——相界面速度，m/s

，——相界面最低点坐标和主管下内壁坐标，pt

——仪器精确度

φ，Δφ，ˉ，—— 直接测量变量、误差、平均值、设备量程