T型微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结界面波动特征及机理探求

本文取得的研究结果对探究微细通道内蒸汽直接接触凝结过程汽水界面运动学行为和热质传递规律，及高热流密度电子元件高效冷却装置的研发具有重要的科学与工程意义。本文只针对水平主管内径 1.4mm、竖直支管内径 0.7mm 的 T 型微细通道内蒸汽直接接触凝结，开展了可视化实验研究，并取得了一定的研究成果。

第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义
随着电子元器件体积日趋微型化、功率和集成度的大幅度提高，电子元器件的散热问题也成了巨大挑战。如果大功率电子元器件若不能及时散热，恶劣热环境将会严重影响电子元件的功能及使用寿命[1]。因此，热集中现象已然成为制约电子元器件小型化和集成化的重要因素之一。
针对微型大功率电子器件热集中现象，近期美国南卡罗来纳大学的科研团队，设计并制备了一款微型高效相变散热元件样机。该样机的主要工作原理是利用微通道内蒸汽直接接触冷水凝结（Direct Contact Condensation, DCC），产生自激励、自持续的高频汽液两相振荡（间歇凝结），从而可确保热流安全裕度和大功率微型电子元器件的高效冷却[2-4]。鉴于其结构的新颖性，目前关于该类型高效相变散热元件的研究，主要集中在微机电系统（MEMS，Micro Electro- Mechanical Systems）加工层面。与其散热机制密切相关的工程热物理问题，尤其是对微通道内蒸汽直接接触凝结的流动与热质传递方面的研究很少，而这很可能是该类型元件高效传热的关键所在。因此探究微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结过程汽水微观动力学行为和热质传递规律，继而为微型高效电子器件散热元件的深度开发和工程应用提供理论支持。
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1.2 蒸汽直接接触凝结实验研究进展
蒸汽直接接触凝结（Direct Contact Condensation, DCC）是蒸汽与过冷水直接混合时发生的瞬时动量和热质传递现象，具有无中间热阻、热质传递效率极高的显著特点，在可再生能源工程、核电及化工等领域均具有广泛应用[5-10]。因此，关于常规尺度下大池及管道内 DCC 的研究[11-15]已较为深入。
LEE[16]等采用激光诱导荧光技术和图像处理技术，对蒸汽直接接触凝结的传热特性，如传热系数、大池温度分布和汽泡当量直径等进行了可视化实验研究。并得出非稳定凝结区的传热系数对凝结温度和蒸汽质量通量均有较高的敏感性。还发现在凝结过程中汽泡当量直径的范围是 0.033-0.114m。柴庆竹[17]等开展了浸没式蒸汽直接接触凝结所引发压力振荡特性的可视化实验，并利用快速傅里叶变换计算出压力振荡的主频。研究发现，当过冷水温度降低时，压力振荡主频升高。当蒸汽质量流率逐渐递增时，压力振荡呈先增大后减小的变化趋势。屈晓航[18]等开展了含不凝汽蒸汽直接接触凝结可视化实验，并由可视化实验结果发现，在凝结过程中汽羽可分为射流区和羽翼区。并且利用 MATLAB 图像处理技术得出含气率的分布状况。宗潇[19]等搭建了矩形截面喷嘴的可视化实验台，在过冷水温度 20-50℃、过冷水质量流速 4-18 及蒸汽质量流速 200-600 工况下，采用高速摄像机捕捉到蒸汽直接接触凝结过程中瞬时图像信息。并基于图像处理技术研究分析了汽液界面的波动特征，同时指出界面波在传播过程中振幅逐渐增大且振幅范围在 0.12-0.38mm 内。此外，还探究了界面波动幅度与局部凝结换热系数的关系，并发现汽液界面波动可强化直接接触凝结的换热系数。唐继国[20]等基于高速摄像机和水声换能器采集的实验结果，研究分析了蒸汽直接接触凝结过程中凝结状态及特征。研究结果表明，凝结过程中存在四个凝结区域即汽泡光滑区、体积波动区、过渡区及毛细区。此外，还应用小波变换法进行识辨凝结状态。唐继国[21]等基于可视化实验结果研究发现，随着蒸汽体积流量增大，汽泡表面波动程度逐渐加剧。从而导致汽泡破裂产生大量微小汽泡，进一步发现微汽泡当量直径随体积流量增大而减小。
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第 2 章 蒸汽直接接触间歇凝结可视化实验研究

2.1 实验系统及主要设备
2.2 实验方案
利用已搭建的 T 型微细通道内蒸汽直接接触凝结实验台，可同时进行 T 型微细通道内可视化实验和数据测量实验。应用高速摄像机拍摄不同工况下蒸汽在 T 型微细通道内的运动轨迹、汽羽形状及其汽液界面的演变过程。从而定量分析凝结流型随蒸汽质量流量、过冷水体积流量、过冷水温度等参数改变而变化的规律。然后利用 MATLAB 对高速摄像机捕捉到的图像进行图像处理进而求取水平主管内蒸汽的长度及蒸汽区域面积。其次，利用温度采集系统测量同一测点在不同工况条件下的温度波动情况。
2.2.1 实验工况及误差分析
本课题主要研究蒸汽体积流量、过冷水体积流量、过冷水温度等实验参数对 T型微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结的影响。在实验过程中汽水工况的取值范围见表 2-7。 需要说明的是，表 2-7 中蒸汽体积流量和过冷水体积流量的数值是集成控制系统的控制面板显示数值。此外控制面板中观察到的蒸汽体积流量而非蒸汽射入过冷水中的体积流量，蒸汽射入过冷水的体积流量为控制面板显示数值减去 90μl/min。原因是由于精密双柱塞泵(DP-310)、精密汽化器(CEM-001)和 T 型微细通道实验段之间的连接管路为 Peek 管，其内径为 0.5mm 且沿程阻力较大，经可视化实验发现，当蒸汽体积流量为 90μl/min 时蒸汽能够充满支管但并未入射至主管的过冷水中，因此可推断该 Peek 管路沿程阻力所导致的流量损失约为 90μl/min。
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第 3 章 水平主管内典型汽液界面波动特征.................... 17
3.1 典型间歇凝结...................... 17
3.2 典型复合凝结................................. 22
第 4 章 汽羽特征影响因素分析.............................29
4.1 蒸汽体积流量........................ 29
4.2 过冷水温度............................ 36
结论.................................. 45

第 4 章 汽羽特征影响因素分析

4.1 蒸汽体积流量
如表 4-1 所示，维持蒸汽温度、过冷水温度、过冷水体积流量等参数恒定，研究分析蒸汽体积流量对 T 型微细通道内汽液界面特征的影响。

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结论

蒸汽直接接触凝结(Direct Contact Condensation, DCC)的应用领域主要集中在宏观尺度范畴，而近年 DCC 的应用已拓展至微细尺度，有学者提出利用微细通道内蒸汽直接接触凝结诱发的自激励自振荡现象实现高热流密度电子元件的高效冷却并设计制备了相应的微通道相变换热装置。然而，与此密切相关的微细尺度条件下 DCC汽液两相流动现象相关研究则极少涉及。并且既往研究表明，尺度效应会显著影响汽液多相流的流型和演化特性，常规尺度 DCC 流动传热机制很可能不能解释微细尺度条件下的相关行为。因此，本文对微细尺度条件下 DCC 汽液两相流动现象开展研究，以揭示其瞬时界面特征和演变行为。
全文主要工作、内容及结论如下：
1）搭建了 T 型微细通道蒸汽直接接触凝结可视化实验台，采用千眼狼牌高速摄像机拍摄 T 型微细通道内蒸汽与水发生直接接触间歇凝结过程中汽液界面瞬时特征及演变。研究蒸汽体积流量、过冷水体积流量、过冷水温度等参数对汽液界面瞬时演变特征及汽羽形状的影响。研究发现在本文可视化实验工况下，T 型微细通道内观察到间歇凝结流型。并且在凝结过程中观察到常规尺度中未提及的现象即汽羽非对称延伸和缩短过程（见图 3-6）。还发现不同工况下间歇凝结周期内汽羽演变过程较为丰富。可视化实验过程中观察到的汽羽形状包括：锥形状、泡状、弹状、柱状-泡状、柱状-环状、类半球形状（见第 3 章）。
2）间歇凝结频率随蒸汽体积流量和过冷水体积流量升高而升高，随过冷水温度升高而下降。依据本文可视化实验结果所示，蒸汽温度 100℃、过冷水温度 30℃、蒸汽体积流量 650μl/min、过冷体积流量 29517μl/min 工况下间歇凝结频率高达 55Hz，远高于常规尺度间歇凝结频率范围 2～8Hz。
3）间歇凝结周期内，水平主管内蒸汽停留时间和竖直支管内过冷水停留时间随蒸汽体积流量增大而减小。水平主管内蒸汽停留时间和竖直支管内过冷水停留时间随过冷水温度升高而升高。竖直支管内过冷水停留时间随过冷水体积流量升高而增大。
参考文献（略）