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　　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

　　为探究微尺度条件下蒸汽直接接触间歇凝结瞬时压力振荡特性，开展了T型微细通道内间歇凝结压力测量实验及频谱分析等。研究发现，在蒸汽温度100℃、蒸汽质量流量0.45g/min、过冷水温度40℃以及过冷水质量流量12.65g/min工况下，间歇凝结压力时域信号在-29.5～8.8kPa之间波动，压力值在2.5kPa附近的概率密度最大。此外，通过频谱分析发现压力频域信号的第一主频为10Hz，与1s内间歇凝结经历的周期数量相近。

　　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。

　　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，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。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。

　　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。

　　1—电加热数显恒温水浴；2—纯净水储存箱（5000mL）；3—蠕动泵；4—过冷水流动控制集成系统（包括精密双柱塞泵、电磁截止阀、电加热水箱）；5—精密蒸汽发生器；6—LED背光源；7—T型微细通道实验段；8—高速摄像机；9—图像采集软件操作系统；10—DAQ数据采集板卡和主机箱；11—可程控直流电源供应器；12—工控机；13—温度、压力数据采集软件操作系统

　　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。

　　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。

　　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。

　　为直接测量参数平均值；∆ψi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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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，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。