微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡特性

李树谦，张超群，张东，侯娜娜，张猛，马坤茹

（1 河北水利电力学院土木工程系，河北 沧州 061001；2 河北省数据中心相变热管理技术创新中心，河北 沧州 061001；3 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；4 河北建筑工程学院能源工程系，河北 张家口 075132；5 河北科技大学建筑工程学院，河北 石家庄 050018）

蒸汽直接接触凝结（direct contact condensation，DCC）是蒸汽与过冷水接触时发生的一种剧烈热质传递现象，由于相间无热阻而具有极高的热质传递速率被广泛应用于核反应堆、过程工业与节能工程等领域[1-3]。

目前，无论是大池还是管道流动中的DCC，其研究范畴基本集中在宏观尺度。例如，Chan 和Lee[4]开展了蒸汽射入大池的实验研究，依据汽液界面的形貌特征对流型进行了甄别并建立了凝结流型图，典型凝结流型包括间歇凝结、泡状凝结和射流。Aya和Nariai[5]将压力测量实验和理论推导相结合，提出了Hodgime 数以鉴别间歇凝结和其他流型。Chun 等[6]通过可视化和压力测量实验发现了6 种不同的流型：间歇凝结、过渡段、振荡凝结、泡状凝结、稳定凝结以及界面振荡凝结。Ju等[7]通过蒸汽直接接触的可视化实验建立了凝结流型图，并发现随着蒸汽流量的增大，间歇凝结与亚声速射流的边界向着蒸汽管道直径增大的方向偏移。Qiu等[8]开展了低质量流率蒸汽垂直向上入射至过冷水的可视化实验，在不同的汽水参数下分别观察到了间歇凝结、光滑表面气泡凝结和粗糙表面凝结3种流型。Youn等[9]开展了蒸汽水平通入过冷水的压力测量实验，研究发现在间歇凝结流型中存在间歇性的高压脉冲。Chong等[10]对蒸汽自水平管喷入大池的间歇凝结过程进行了研究并获取了蒸汽管道和大池的压力时域信号，发现管内凝结会对管道产生一个较大的压力峰值，大池内气泡破裂会对大池产生一个较大的压力荷载，并指出不同间歇凝结周期的压力脉冲具有随机性。Zhao等[11]对单喷嘴亚声速射流压力振荡进行了探究，指出界面不稳定波动是产生压力振荡的原因。

以往关于DCC 的研究重点主要集中在宏观范畴[12-14]，且其研究多围绕抑制间歇凝结现象的发生而展开。近年的研究表明，尺度效应对于流动阻力特性与传热特性具有显著影响[15-16]。微细尺度条件下的DCC 有望应用于高热通量电子器件的热管理领域，这是以往宏观尺度条件下DCC 研究中未曾涉及的。例如，有研究者[17-19]已研发出微通道蒸汽直接接触凝结散热装置样机，其原理是利用微细尺度下间歇凝结产生的压力振荡提高流动换热效率。本文作者课题组的侯娜娜等[20]对微细通道内蒸汽直接接触汽液界面的波动行为进行了可视化研究，发现微通道下间歇凝结过程中气泡发生了多次“颈缩”现象。张猛等[21]进一步揭示了微细通道内蒸汽直接接触凝结过程中“局部收缩”和“内爆”导致的速度振荡和相界面演变机理。作为课题的延续，本文针对微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结过程压力振荡特性及其受汽液界面波动的影响机制进行研究。由于汽水参数的改变会影响凝结流型，经过前期的多次实验探究，选择了具有典型间歇凝结的特定工况进行分析，以期在一定程度上丰富微细尺度DCC 流动换热现象的研究内容，并为新型高效微通道散热器件的研发提供一定的理论依据。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统及装置

图1为三维实验系统图。实验系统由蒸汽发生系统、过冷水双循环系统、图像采集系统、温度采集系统、压力采集系统及T 型微细通道实验段组成。在T型微细通道实验段过冷水进出口分别布置热电偶，以进口处温度稳定在所需数值作为实验数据测量的前提之一。

图1 实验系统

图2为实验段三维模型，该实验段为T型透明石英玻璃管，主要参数均在图中给出。因蒸汽凝结主要发生在主支管相交附近处，为应力集中区域，因此在竖直支管出口正对的主管内壁处（PC1）设置高频微压传感器用于监测蒸汽直接接触间歇凝结过程的瞬时压力振荡。

图2 实验段模型

1.2 实验过程及工况

实验过程概述如下：首先，启动蠕动泵正循环模式给电加热水箱中注满水。随后分别设定电加热水箱及恒温水浴箱加热温度为100℃并持续加热0.5h，随后将两个温度设置为95℃并持续6h，以尽可能去除纯净水和去离子水中的空气。然后运行过冷水逆循环系统同时开启精密双柱塞泵和精密汽化器并持续10min，该步骤的目的一方面是为了消除微细通道的热惯性，另一方面是为了消除管路内部残留的空气。待实验系统稳定运行后（即过冷水入口端温度稳定在实验所需的数值），依次打开LED背光源、高速摄像机、图像采集软件、NI采集器、电源、工控机、温度压力采集软件，进而获取蒸汽直接接触间歇凝结过程中汽液界面波动原始图像和温度压力时域信号，主要设备参数见表1。此外，还需说明：对整个蒸汽输送管段进行了100℃的持续伴热并且用10mm厚玻璃纤维保温棉包裹，目的是防止蒸汽在进入实验段前冷凝。实验工况见表2，其中过冷水在发生直接接触现象之前的雷诺数（Re）为290.23［雷诺数的计算方法见式(1)］。另外在该工况下进行了3次实验，对实验重复性进行了检查和验证，结果表明3次实验的结果高度一致。

表1 设备参数

表2 实验工况

式中，Q为体积流量，m3/s；d为特征长度，这里为T 型微细通道的内径，mm；ν为运动黏度，通过查表获得，Pa·s。

1.3 不确定性分析

误差分析基于Moffat[22]提出的不确定度分析方法，其数学描述如式(2)～式(4)。

式中，ψi为直接测量参数；-ψi为直接测量参数平均值；Δψi为测量误差；ψm为仪表量程；a为仪表精度；N为测量次数；S(N)为标准偏差；K为置信因子；Urel为相对误差。

据此，本实验各参数的不确定度见表3。

表3 参数的不确定度

2 数据处理

2.1 压力数据处理

（1）周期压力最值处理［式(5)、式(6)］

式中，τ为压力间歇凝结周期，实验条件下间歇凝结的随机性特点使得每个振荡周期都存在差异，选取一个时间最长间歇凝结周期的时间，确保获取的最值处于完整周期内，间歇凝结周期最大值为0.031s，因此τ=0.031s。

（2）快速傅里叶变换（FFT） 将压力原始信号进行FFT，即由时域信号转变为频域信号，进而从频域角度进行分析。

（3）压力幅值概率分布 在蒸汽直接接触凝结中，概率密度函数（PDF）和概率密度积分函数（CPDF）可作为流型的判据之一。压力分布概率密度函数为某一段时间内瞬时振荡压力数值落在某区间概率大小的函数，压力分布概率密度积分函数为PDF的积分。

2.2 可视化图像处理步骤

应用MATLAB 对图像采集系统所得到的原始图像信息进行处理，主要分为以下几个步骤：①原始图像二值化处理；②对二值图进行取反；③对取反的二值图进行填充；④将填充图进行去噪获取汽液两相区像素；⑤通过像素点数量获取汽液两相区截面面积。如图3所示。

图3 图像处理过程

3 结果与讨论

图4(a)为蒸汽直接接触间歇凝结压力随时间变化曲线，由图可见，压力时域振荡呈现周期性变化，在1s 内存在11 个明显的的波峰和波谷，因此认为在1s 内出现了11 个间歇凝结周期。进一步观察发现，每个周期内存在压力密集部分，以第6个周期的局部放大图［图4(b)］为例，可以看出在0.52～0.53s内压力曲线出现了多次波峰和波谷。

图4 压力时域信号

为阐明上述周期内压力波动产生机制，利用高速摄像机获取了同种工况下连续3个周期主管内的汽液界面瞬时演变行为，如图5 所示。初始阶段，蒸汽自支管入射至主管与过冷水相遇后形成气泡并逐渐增长（t=0～2.6ms），之后在t=3.2ms 时出现了局部“颈缩”现象，“颈缩”下部蒸汽溃灭，上部气泡继续增大。t=5.8ms 时主支管交接处出现了更为剧烈的“颈缩”。继而，气泡由光滑面演变为粗糙面，气泡图像灰度从局部加深到全部加深。在此期间，气泡再次经历了“颈缩”、局部溃灭，直至最后完全消失（t=7.0ms）。至于随后的与主管内气泡演变行为相关的两个间歇凝结周期（t=22.2～24.8ms、68.8～72.6ms），蒸汽气泡亦先后经历了增大、内爆和消失等阶段，并且均发现了“颈缩”后脱离和局部内爆同时存在的现象。前述气泡经历的“颈缩”等形貌特征，这与文献[18]的研究结果一致。多次“颈缩”为一种汽液界面波动形式，而汽液界面波动必然导致区域内压力的变化[11]，需要说明的是，该类型压力波动是由于蒸汽瞬间凝结导致的“水锤”现象所导致的，与实验运行中的调节波动无关。因此，可以推断，“颈缩”是引起压力大幅振荡的主要原因，此外压力振荡也能够在一定程度上反映间歇凝结的剧烈程度，其是气液界面瞬间剧烈传热传质现象的表现形式之一。

图5 连续间歇凝结周期中主管内的汽液界面行为

通过MATLAB对原始可视化图像进行处理，得到间歇凝结过程中气泡二维横截面的像素面积。图6为0.4s内间歇凝结主管内汽泡二维横截面积随时间变化曲线。由图可见，气泡二维横截面积随时间推移呈周期性变化。每个周期可分为几个典型阶段，即面积增加、面积达到最大、面积减小以及面积为零，与之对应的可视化图像过程为气泡增大、气泡达到最大、气泡破裂后消失以及过冷水进入支管中。同时可以看出每个周期内出现的最大二维横截面积不同，最大约为4.5mm2，最小在1.5mm2左右，表明间歇凝结过程气泡尺寸的具有一定的波动性。

图6 主管内气泡横截面积随时间变化

在时域分析基础上，进一步采用FFT对图4中的压力时域信号进行频谱分析，结果如图7 所示。观察发现图中存在两个明显的频带，即在0～200Hz 区域内的第一频带和在400Hz 附近的第二频带。文献[23]将不同频带中最大幅值所对应的频率称为第一主频、第二主频等，据此可以判定图7中的第一主频为10Hz，其对应的振幅约为2.6kPa，远高于其他频率所对应的幅值，进一步观察发现在第一频带内存在1个幅值较高的频率，此外第一频带存在明显的简谐波，说明微细通道内DCC 过程流场紊乱程度较高，也反映了间歇凝结过程的压力振荡的复杂特性。此外，结合图4(a)发现，间歇凝结周期数与第一主频关系密切，二者数值相近。第二主频具有高频率、低振幅的特性，其原因可能是大气泡内爆后的微汽泡破裂导致。

图7 压力频域信号

图8为间歇凝结压力最值分布图，描述了1s内连续间歇凝结周期的压力振荡最大值和最小值。由图可见，连续周期内压力振荡的最大值在4.8～8.8kPa范围内波动；与周期压力最大值相比较，压力振荡的最小值波动范围略大些，在-29.5～-18.4kPa之间波动，表明间歇凝结连续周期压力峰值存在一定的不稳定性。

图8 周期压力最值

通过PDF 函数和CPDF 函数可以分别进一步分析凝结压力的分布情况和某个幅值出现的概率。图9为1s内压力振荡的概率密度分布函数（PDF）和概率密度积分函数（CPDF），可以看出，-30～-4kPa范围内的压力的概率密度很小，在0～10%范围内，并在2.5kPa 出现峰值，概率密度为42%。结合图4可以解释上述现象：图4(a)中可以发现压力在2.5kPa左右出现的次数最多，而在-30～-4kPa范围内只存在压力瞬变。概率密度积分在该区间的增长量为该区间的概率密度，所以其增长骤缓程度随着概率密度的变化而变化。通过CPDF 函数可以清楚看出凝结压力振荡的压力幅值在此工况下出现的概率。

图9 间歇凝结压力的PDF和CPDF

4 结论

基于T 型微细通道内蒸汽直接接触凝结压力测量及可视化实验台，利用高频微压传感器和高速摄像机获取了饱和蒸汽质量流量0.45g/min、蒸汽温度100℃、过冷水质量流量12.65g/min 及过冷水温度40℃典型工况下PC1 处直接接触凝结过程的瞬时压力信号和两相界面波动图像，主要结论如下。

（1）间歇凝结瞬时压力振荡显著剧烈，呈现明显的周期性，并且在1s 内出现了11 个间歇凝结周期。同时发现在单个周期内压力时域曲线出现了多次波峰和波谷。

（2）单次周期内的压力经历了多次幅度较大的振荡，该现象可能是在一个周期内主管内的气泡出现多次“颈缩”现象所致。

（3）从频域角度对间歇凝结压力振荡进行分析发现存在两个明显的频带，与之对应的第一主频和第二主频分别为10Hz 和427Hz。此外，发现第一主频和1s内的间歇凝结周期数相近。

（4）单次周期内压力振荡较为剧烈，与连续周期内压力振荡的最大值相比压力振荡的最小值波动范围略大些，发现最大值和最小值分别在4.8～8.8kPa、-29.5～-18.4kPa范围内波动。此外，压力值出现在2.5kPa的概率密度最大，为42%。