李樹(shù)謙，張超群，張東，侯娜娜，張猛，馬坤茹

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

蒸汽直接接觸凝結(jié)（direct contact condensation，DCC）是蒸汽與過(guò)冷水接觸時(shí)發(fā)生的一種劇烈熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象，由于相間無(wú)熱阻而具有極高的熱質(zhì)傳遞速率被廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、過(guò)程工業(yè)與節(jié)能工程等領(lǐng)域[1-3]。

目前，無(wú)論是大池還是管道流動(dòng)中的DCC，其研究范疇基本集中在宏觀尺度。例如，Chan 和Lee[4]開(kāi)展了蒸汽射入大池的實(shí)驗(yàn)研究，依據(jù)汽液界面的形貌特征對(duì)流型進(jìn)行了甄別并建立了凝結(jié)流型圖，典型凝結(jié)流型包括間歇凝結(jié)、泡狀凝結(jié)和射流。Aya和Nariai[5]將壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)相結(jié)合，提出了Hodgime 數(shù)以鑒別間歇凝結(jié)和其他流型。Chun 等[6]通過(guò)可視化和壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了6 種不同的流型：間歇凝結(jié)、過(guò)渡段、振蕩凝結(jié)、泡狀凝結(jié)、穩(wěn)定凝結(jié)以及界面振蕩凝結(jié)。Ju等[7]通過(guò)蒸汽直接接觸的可視化實(shí)驗(yàn)建立了凝結(jié)流型圖，并發(fā)現(xiàn)隨著蒸汽流量的增大，間歇凝結(jié)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(kāi)展了低質(zhì)量流率蒸汽垂直向上入射至過(guò)冷水的可視化實(shí)驗(yàn)，在不同的汽水參數(shù)下分別觀察到了間歇凝結(jié)、光滑表面氣泡凝結(jié)和粗糙表面凝結(jié)3種流型。Youn等[9]開(kāi)展了蒸汽水平通入過(guò)冷水的壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在間歇凝結(jié)流型中存在間歇性的高壓脈沖。Chong等[10]對(duì)蒸汽自水平管噴入大池的間歇凝結(jié)過(guò)程進(jìn)行了研究并獲取了蒸汽管道和大池的壓力時(shí)域信號(hào)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)凝結(jié)會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力峰值，大池內(nèi)氣泡破裂會(huì)對(duì)大池產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力荷載，并指出不同間歇凝結(jié)周期的壓力脈沖具有隨機(jī)性。Zhao等[11]對(duì)單噴嘴亞聲速射流壓力振蕩進(jìn)行了探究，指出界面不穩(wěn)定波動(dòng)是產(chǎn)生壓力振蕩的原因。

以往關(guān)于DCC 的研究重點(diǎn)主要集中在宏觀范疇[12-14]，且其研究多圍繞抑制間歇凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生而展開(kāi)。近年的研究表明，尺度效應(yīng)對(duì)于流動(dòng)阻力特性與傳熱特性具有顯著影響[15-16]。微細(xì)尺度條件下的DCC 有望應(yīng)用于高熱通量電子器件的熱管理領(lǐng)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(fā)出微通道蒸汽直接接觸凝結(jié)散熱裝置樣機(jī)，其原理是利用微細(xì)尺度下間歇凝結(jié)產(chǎn)生的壓力振蕩提高流動(dòng)換熱效率。本文作者課題組的侯娜娜等[20]對(duì)微細(xì)通道內(nèi)蒸汽直接接觸汽液界面的波動(dòng)行為進(jìn)行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)微通道下間歇凝結(jié)過(guò)程中氣泡發(fā)生了多次“頸縮”現(xiàn)象。張猛等[21]進(jìn)一步揭示了微細(xì)通道內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)過(guò)程中“局部收縮”和“內(nèi)爆”導(dǎo)致的速度振蕩和相界面演變機(jī)理。作為課題的延續(xù)，本文針對(duì)微細(xì)通道內(nèi)蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)過(guò)程壓力振蕩特性及其受汽液界面波動(dòng)的影響機(jī)制進(jìn)行研究。由于汽水參數(shù)的改變會(huì)影響凝結(jié)流型，經(jīng)過(guò)前期的多次實(shí)驗(yàn)探究，選擇了具有典型間歇凝結(jié)的特定工況進(jìn)行分析，以期在一定程度上豐富微細(xì)尺度DCC 流動(dòng)換熱現(xiàn)象的研究?jī)?nèi)容，并為新型高效微通道散熱器件的研發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

圖1為三維實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過(guò)冷水雙循環(huán)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)及T 型微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段組成。在T型微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段過(guò)冷水進(jìn)出口分別布置熱電偶，以進(jìn)口處溫度穩(wěn)定在所需數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的前提之一。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為實(shí)驗(yàn)段三維模型，該實(shí)驗(yàn)段為T型透明石英玻璃管，主要參數(shù)均在圖中給出。因蒸汽凝結(jié)主要發(fā)生在主支管相交附近處，為應(yīng)力集中區(qū)域，因此在豎直支管出口正對(duì)的主管內(nèi)壁處（PC1）設(shè)置高頻微壓傳感器用于監(jiān)測(cè)蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)過(guò)程的瞬時(shí)壓力振蕩。

圖2 實(shí)驗(yàn)段模型

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及工況

實(shí)驗(yàn)過(guò)程概述如下：首先，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵正循環(huán)模式給電加熱水箱中注滿水。隨后分別設(shè)定電加熱水箱及恒溫水浴箱加熱溫度為100℃并持續(xù)加熱0.5h，隨后將兩個(gè)溫度設(shè)置為95℃并持續(xù)6h，以盡可能去除純凈水和去離子水中的空氣。然后運(yùn)行過(guò)冷水逆循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)啟精密雙柱塞泵和精密汽化器并持續(xù)10min，該步驟的目的一方面是為了消除微細(xì)通道的熱慣性，另一方面是為了消除管路內(nèi)部殘留的空氣。待實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后（即過(guò)冷水入口端溫度穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)值），依次打開(kāi)LED背光源、高速攝像機(jī)、圖像采集軟件、NI采集器、電源、工控機(jī)、溫度壓力采集軟件，進(jìn)而獲取蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)過(guò)程中汽液界面波動(dòng)原始圖像和溫度壓力時(shí)域信號(hào)，主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。此外，還需說(shuō)明：對(duì)整個(gè)蒸汽輸送管段進(jìn)行了100℃的持續(xù)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(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前冷凝。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2，其中過(guò)冷水在發(fā)生直接接觸現(xiàn)象之前的雷諾數(shù)（Re）為290.23［雷諾數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)］。另外在該工況下進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)重復(fù)性進(jìn)行了檢查和驗(yàn)證，結(jié)果表明3次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果高度一致。

表1 設(shè)備參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)工況

式中，Q為體積流量，m3/s；d為特征長(zhǎng)度，這里為T 型微細(xì)通道的內(nèi)徑，mm；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，通過(guò)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(shù)學(xué)描述如式(2)～式(4)。

式中，ψi為直接測(cè)量參數(shù)；-ψi為直接測(cè)量參數(shù)平均值；Δψi為測(cè)量誤差；ψm為儀表量程；a為儀表精度；N為測(cè)量次數(shù)；S(N)為標(biāo)準(zhǔn)偏差；K為置信因子；Urel為相對(duì)誤差。

據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)各參數(shù)的不確定度見(jiàn)表3。

表3 參數(shù)的不確定度

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 壓力數(shù)據(jù)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(jié)周期，實(shí)驗(yàn)條件下間歇凝結(jié)的隨機(jī)性特點(diǎn)使得每個(gè)振蕩周期都存在差異，選取一個(gè)時(shí)間最長(zhǎng)間歇凝結(jié)周期的時(shí)間，確保獲取的最值處于完整周期內(nèi)，間歇凝結(jié)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(hào)進(jìn)行FFT，即由時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，進(jìn)而從頻域角度進(jìn)行分析。

（3）壓力幅值概率分布 在蒸汽直接接觸凝結(jié)中，概率密度函數(shù)（PDF）和概率密度積分函數(shù)（CPDF）可作為流型的判據(jù)之一。壓力分布概率密度函數(shù)為某一段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)振蕩壓力數(shù)值落在某區(qū)間概率大小的函數(shù)，壓力分布概率密度積分函數(shù)為PDF的積分。

2.2 可視化圖像處理步驟

應(yīng)用MATLAB 對(duì)圖像采集系統(tǒng)所得到的原始圖像信息進(jìn)行處理，主要分為以下幾個(gè)步驟：①原始圖像二值化處理；②對(duì)二值圖進(jìn)行取反；③對(duì)取反的二值圖進(jìn)行填充；④將填充圖進(jìn)行去噪獲取汽液兩相區(qū)像素；⑤通過(guò)像素點(diǎn)數(shù)量獲取汽液兩相區(qū)截面面積。如圖3所示。

圖3 圖像處理過(guò)程

3 結(jié)果與討論

圖4(a)為蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)壓力隨時(shí)間變化曲線，由圖可見(jiàn)，壓力時(shí)域振蕩呈現(xiàn)周期性變化，在1s 內(nèi)存在11 個(gè)明顯的的波峰和波谷，因此認(rèn)為在1s 內(nèi)出現(xiàn)了11 個(gè)間歇凝結(jié)周期。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，每個(gè)周期內(nèi)存在壓力密集部分，以第6個(gè)周期的局部放大圖［圖4(b)］為例，可以看出在0.52～0.53s內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)了多次波峰和波谷。

圖4 壓力時(shí)域信號(hào)

為闡明上述周期內(nèi)壓力波動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制，利用高速攝像機(jī)獲取了同種工況下連續(xù)3個(gè)周期主管內(nèi)的汽液界面瞬時(shí)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(guò)冷水相遇后形成氣泡并逐漸增長(zhǎng)（t=0～2.6ms），之后在t=3.2ms 時(shí)出現(xiàn)了局部“頸縮”現(xiàn)象，“頸縮”下部蒸汽潰滅，上部氣泡繼續(xù)增大。t=5.8ms 時(shí)主支管交接處出現(xiàn)了更為劇烈的“頸縮”。繼而，氣泡由光滑面演變?yōu)榇植诿?，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(jīng)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(nèi)氣泡演變行為相關(guān)的兩個(gè)間歇凝結(jié)周期（t=22.2～24.8ms、68.8～72.6ms），蒸汽氣泡亦先后經(jīng)歷了增大、內(nèi)爆和消失等階段，并且均發(fā)現(xiàn)了“頸縮”后脫離和局部?jī)?nèi)爆同時(shí)存在的現(xiàn)象。前述氣泡經(jīng)歷的“頸縮”等形貌特征，這與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果一致。多次“頸縮”為一種汽液界面波動(dòng)形式，而汽液界面波動(dòng)必然導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)壓力的變化[11]，需要說(shuō)明的是，該類型壓力波動(dòng)是由于蒸汽瞬間凝結(jié)導(dǎo)致的“水錘”現(xiàn)象所導(dǎo)致的，與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中的調(diào)節(jié)波動(dòng)無(wú)關(guān)。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(jié)的劇烈程度，其是氣液界面瞬間劇烈傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象的表現(xiàn)形式之一。

圖5 連續(xù)間歇凝結(jié)周期中主管內(nèi)的汽液界面行為

通過(guò)MATLAB對(duì)原始可視化圖像進(jìn)行處理，得到間歇凝結(jié)過(guò)程中氣泡二維橫截面的像素面積。圖6為0.4s內(nèi)間歇凝結(jié)主管內(nèi)汽泡二維橫截面積隨時(shí)間變化曲線。由圖可見(jiàn)，氣泡二維橫截面積隨時(shí)間推移呈周期性變化。每個(gè)周期可分為幾個(gè)典型階段，即面積增加、面積達(dá)到最大、面積減小以及面積為零，與之對(duì)應(yīng)的可視化圖像過(guò)程為氣泡增大、氣泡達(dá)到最大、氣泡破裂后消失以及過(guò)冷水進(jìn)入支管中。同時(shí)可以看出每個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)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(jié)過(guò)程氣泡尺寸的具有一定的波動(dòng)性。

圖6 主管內(nèi)氣泡橫截面積隨時(shí)間變化

在時(shí)域分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用FFT對(duì)圖4中的壓力時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖7 所示。觀察發(fā)現(xiàn)圖中存在兩個(gè)明顯的頻帶，即在0～200Hz 區(qū)域內(nèi)的第一頻帶和在400Hz 附近的第二頻帶。文獻(xiàn)[23]將不同頻帶中最大幅值所對(duì)應(yīng)的頻率稱為第一主頻、第二主頻等，據(jù)此可以判定圖7中的第一主頻為10Hz，其對(duì)應(yīng)的振幅約為2.6kPa，遠(yuǎn)高于其他頻率所對(duì)應(yīng)的幅值，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)在第一頻帶內(nèi)存在1個(gè)幅值較高的頻率，此外第一頻帶存在明顯的簡(jiǎn)諧波，說(shuō)明微細(xì)通道內(nèi)DCC 過(guò)程流場(chǎng)紊亂程度較高，也反映了間歇凝結(jié)過(guò)程的壓力振蕩的復(fù)雜特性。此外，結(jié)合圖4(a)發(fā)現(xiàn)，間歇凝結(jié)周期數(shù)與第一主頻關(guān)系密切，二者數(shù)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(nèi)爆后的微汽泡破裂導(dǎo)致。

圖7 壓力頻域信號(hào)

圖8為間歇凝結(jié)壓力最值分布圖，描述了1s內(nèi)連續(xù)間歇凝結(jié)周期的壓力振蕩最大值和最小值。由圖可見(jiàn)，連續(xù)周期內(nèi)壓力振蕩的最大值在4.8～8.8kPa范圍內(nèi)波動(dòng)；與周期壓力最大值相比較，壓力振蕩的最小值波動(dòng)范圍略大些，在-29.5～-18.4kPa之間波動(dòng)，表明間歇凝結(jié)連續(xù)周期壓力峰值存在一定的不穩(wěn)定性。

圖8 周期壓力最值

通過(guò)PDF 函數(shù)和CPDF 函數(shù)可以分別進(jìn)一步分析凝結(jié)壓力的分布情況和某個(gè)幅值出現(xiàn)的概率。圖9為1s內(nèi)壓力振蕩的概率密度分布函數(shù)（PDF）和概率密度積分函數(shù)（CPDF），可以看出，-30～-4kPa范圍內(nèi)的壓力的概率密度很小，在0～10%范圍內(nèi)，并在2.5kPa 出現(xiàn)峰值，概率密度為42%。結(jié)合圖4可以解釋上述現(xiàn)象：圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)壓力在2.5kPa左右出現(xiàn)的次數(shù)最多，而在-30～-4kPa范圍內(nèi)只存在壓力瞬變。概率密度積分在該區(qū)間的增長(zhǎng)量為該區(qū)間的概率密度，所以其增長(zhǎng)驟緩程度隨著概率密度的變化而變化。通過(guò)CPDF 函數(shù)可以清楚看出凝結(jié)壓力振蕩的壓力幅值在此工況下出現(xiàn)的概率。

圖9 間歇凝結(jié)壓力的PDF和CPDF

4 結(jié)論

基于T 型微細(xì)通道內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)壓力測(cè)量及可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用高頻微壓傳感器和高速攝像機(jī)獲取了飽和蒸汽質(zhì)量流量0.45g/min、蒸汽溫度100℃、過(guò)冷水質(zhì)量流量12.65g/min 及過(guò)冷水溫度40℃典型工況下PC1 處直接接觸凝結(jié)過(guò)程的瞬時(shí)壓力信號(hào)和兩相界面波動(dòng)圖像，主要結(jié)論如下。

（1）間歇凝結(jié)瞬時(shí)壓力振蕩顯著劇烈，呈現(xiàn)明顯的周期性，并且在1s 內(nèi)出現(xiàn)了11 個(gè)間歇凝結(jié)周期。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在單個(gè)周期內(nèi)壓力時(shí)域曲線出現(xiàn)了多次波峰和波谷。

（2）單次周期內(nèi)的壓力經(jīng)歷了多次幅度較大的振蕩，該現(xiàn)象可能是在一個(gè)周期內(nèi)主管內(nèi)的氣泡出現(xiàn)多次“頸縮”現(xiàn)象所致。

（3）從頻域角度對(duì)間歇凝結(jié)壓力振蕩進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)明顯的頻帶，與之對(duì)應(yīng)的第一主頻和第二主頻分別為10Hz 和427Hz。此外，發(fā)現(xiàn)第一主頻和1s內(nèi)的間歇凝結(jié)周期數(shù)相近。

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