T型微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡特性实验探讨

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论文字数:45251 论文编号:sb2022053014163548008 日期:2022-06-11 来源:硕博论文网

本文是一篇土木工程论文,本文的创新点主要归纳如下:(1)   根据汽液界面波动特征对微细通道内蒸汽直接接触间歇的流型进行了甄别,发现了三种不同的间歇凝结:粗糙表面间歇凝结、光滑表面间歇凝结和内部间歇凝结。(2)   通过对微细通道蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡进行快速傅里叶变换发现在单一流型下的凝结压力振荡主频数值与间歇凝结周期次数基本一致。此外,还发现间歇凝结压力振荡第一主频在粗糙表面流型下可达 41Hz。
第 1 章   绪论
1.1   课题的研究背景及意义
随着信息科技的发展,电子元器件广泛地应用于诸多领域,特别是 21 世纪以来,电子设备日趋微型化、集成化和高度智能化。已有研究表明刚步入 21 世纪时,微型装置的特征尺寸已经减小到 0.18µm[1],近几年进一步微小化。在电子器件微型化的同时其芯片的热流密度也呈现出显著提高的发展趋势,电子元器件经由散热器基板传递的热流密度高于 104W/m2,而且仍然有持续上升的态势[2]。
微小型电子器件性能和功率密度显著提高会促使器件温度大幅提升,而高温会对电子元器件正常运行产生不利影响,严重时会导致运行失效[3-8],例如图 1-1 描述的即是由于散热问题导致的电子器件热失效。

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不同于传统的微通道单相液冷和微通道内液体的流动沸腾散热方式,美国南卡罗来纳大学的科研团队从崭新的视角开发了一种新型的微型散热元件样机[12-14]。从传热和流动角度,该样机的运行原理主要利用微通道内蒸汽直接接触冷水凝结 (Direct Contact Condensation, DCC)  诱发高振幅的压力波动,进而产生自持续的高频汽液两相振荡。由于该样机具有良好导热性、热流密度可变性、恒温特性等优良特点,特别适合超高热流密度电器器件的快速散热。
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1.2   蒸汽直接接触间歇凝结研究进展
1.2.1   蒸汽直接接触凝结概述
蒸汽直接接触凝结是蒸汽与过冷水相遇,在两相界面处发生瞬时热量和质量传递的过程,其汽液界面波动剧烈,鉴于其具有高效的传热特性,广泛地应用于化工、热交换器以及核电等领域[29-32]。1973 年 Boure[33]等发现当管道中的蒸汽喷入大池中的过冷水时会产生激烈的瞬时压力波动,这一特性会使相关设备产生巨大的荷载,从而对设备结构完整性和安全运行产生不利影响[34]。为更好的将蒸汽直接接触凝结的特性应用到实际工程中,诸多学者对其进行了深入研究[35-42],发现蒸汽直接接触凝结主要受蒸汽质量流量、过冷水温度、管道直径等汽水热工参数以及发生场所特点的影响。根据蒸汽直接接触凝结在不同热工参数下汽液界面波动的特性进行了分类,详见表 1-1。
当蒸汽以很低的质量流量喷射到过冷水中,在蒸汽管道出口处形成的汽泡会发生破裂,而后过冷水被吸入蒸汽管中,此时,蒸汽仅在管内发生凝结,并具有周期性特点,该类流型称为间歇凝结。间歇凝结由于具有过冷水周期性的进入蒸汽管而不同于其他流型,是一种最不稳定的流型,不仅汽液界面瞬时波动更为复杂,还会伴随冷凝水锤现象(Condensation-Induced Water Hammer, CIWH)[34]。
基于可视化实验,诸多学者已经对蒸汽直接接触间歇凝结过程中汽液界面波动行为特征进行了分析,有了较为成熟的研究。
Lee 等[43]开展了蒸汽竖直向下通入大池中的可视化实验,发现蒸汽在低质量流量工况下出现了三种不同模式的间歇凝结,分别为内部间歇凝结、分离汽泡式间歇凝结和包封汽泡式间歇凝结。这三种间歇凝结有一个共同的特点:过冷水都会进入蒸汽管道,但在汽液界面演变过程方面存在不同。内部间歇凝结的整个凝结过程都是在蒸汽管内进行的,并且在管道内部的蒸汽会出现断桥现象。分离汽泡式间歇凝结在蒸汽管出口处出现了颈缩和汽泡脱落的现象。包封汽泡式间歇凝结过程中会出现蒸汽泡包裹蒸汽管出口,随后消失。
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第 2 章   蒸汽直接接触间歇凝结实验系统及方法介绍 
2.1   实验系统及主要设备 
本章主要介绍微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结实验的实验系统、实验操作步骤以及数据处理方法。通过图像采集系统获得可视化图像以进行汽液界面波动特征分析,通过数据采集系统获取压力时域信号,为深入探究微细尺度条件下蒸汽直接接触凝结压力振荡特性和机理奠定基础。通过控制过冷水和蒸汽的质量流量,获取不同工况下间歇凝结的压力时域信号,以进一步探究微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡的影响机制。
本实验装置主要分为六个部分,分别为供汽系统、过冷水双循环系统、实验段、图像采集系统、温度采集系统和压力采集系统。供汽系统以去离子水作为产汽来源,利用精密双柱塞泵将去离子水从恒温水浴运输至精密蒸汽发生器,产生的蒸汽通过 peek 管到达实验段竖直支管。过冷水双循环系统包含正、逆循环两个系统,正循环系统利用蠕动泵和电磁三通阀给加热水箱加水,当看到加热水箱上方有水溢流回纯净水瓶时,开启逆循环系统利用蠕动泵将加热水箱的过冷水送至实验段水平主管。蒸汽与过冷水在 T 型微细管中相遇后发生蒸汽直接接触凝结现象。利用高速摄像机记录微细通道内发生蒸汽直接接触凝结时汽液两相界面时间和空间演变过程并传达至电脑,在与高速摄像机配套的软件中进行显示。利用 NI 采集器、热电偶和高频微压传感器获取所需的温度和压力数据,输送至电脑,在与 NI 采集器配套的软件中显示出来。
产汽系统主要是为实验提供饱和蒸汽。该系统由电热数显恒温水浴、DP-310 精密双柱塞泵以及精密蒸发器组成,如图 2-4 所示。通过内径为 0.5mm 的 peek 管以及配套的接头将这些装置连接起来。在接口处为了防止耐高温胶在毛细力的作用下从缝隙流入蒸汽管路内部发生堵塞,需先用生料带后用耐高温胶将接口缝隙封死,以保证整个产汽系统的气密性完好。蒸汽发生器到 T 型微细通道的 peek 管用可调温伴热带和玻璃纤维保温棉将其包裹起来进行伴热。伴热主要是防止蒸汽发生器产生的蒸汽在到达实验段前遇冷液化。
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2.2   实验步骤
主要实验步骤描述如下:
(1)   安装实验段和检查实验装置。安装水平主管道内径为 1.4mm,竖直支管内径为 0.7mm 的 T 型微细圆管试验段,检查实验系统是否可以正常运行以及整个系统的气密性是否完好。
(2)   排除离子水和纯净水中的空气。首先打开电源总开关,打开恒温水浴的加热开关并设置温度为 100℃,加热去离子水。与此同时将集成装置的总电闸打开,将加热水箱温度设置为 40℃(设置低温的温度是防止加热水箱干烧)并使加热水箱开关按钮处于打开状态,给加热水箱进行补水,以加热水箱有水溢出为水箱加满的标准,水加满后将加热水箱的加热温度设置为 100℃(这里一定要注意在加热水箱的温度比较高时,随时观察加热水箱中的水位,防止加热水箱进行干烧)。过冷水和去离子水被加热至沸腾,随后将温度调为 95℃,持续加热 6 小时。
(3)   排除过冷水管路、蒸汽管路以及实验段管道中的空气。将过冷水温度自然冷却至实验所需温度,将蠕动泵调至较大流量进行内循环,之后开启精密双柱塞泵并设置成最大蒸汽质量流量,使蒸汽与冷水利用动力将管道内的空气排除。这里需要注意的是在产汽前要先将伴热带开启,以防止蒸汽凝结。
(4)   调节实验工况。将蒸汽温度、蒸汽质量流量、过冷水温度以及过冷水质量流量设置成所需的工况。
(5)   开启图像采集系统和数据采集系统。在实验段后面的 LED 背光灯上放置一张硫酸纸并打开背光灯,开启高速摄像机。打开图像采集软件,调整高速摄像机位置,以达到最佳效果,设置高速摄像机帧数为 5000fps。然后依次打开 NI 采集器、电源、工控机显示器和数据采集软件,设置压力采样率为 40000Hz,温度采样率为 10Hz。
(6)   图像采集以及数据采集。操作相关软件获取温度压力数据,打开温度数据,再一次确定是否满足实验要求的过冷水温度,若满足保存数据,若不满足继续调节过冷水温度,直到满足后保存数据,然后操作图像采集软件同种工况下的可视化原始图像。
(7)   实验结束,首先关闭产汽系统,再关闭过冷水系统,接着将背光源、图像采集系统、数据采集系统分别关闭,最后关闭总电源。
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第 3 章   间歇凝结汽液界面波动和压力振荡特性 .......................... 31
3.1   间歇凝结典型界面波动 ........................................... 31
3.1.1   粗糙表面间歇凝结 ............................................ 31
3.1.2   光滑表面间歇凝结 ..................................... 37
第 4 章   压力振荡影响因素分析 ............................... 51
4.1   蒸汽质量流量 .................................... 51
4.1.1   压力振荡原始时域信号分析 ......................... 51
4.1.2   压力振荡幅值分布规律分析 ................................. 53
结论 ...................................... 69
第 4 章   压力振荡影响因素分析

4.1   蒸汽质量流量
4.1.1   压力振荡原始时域信号分析

土木工程论文参考
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图 4-1 描述的是蒸汽温度为 100℃、过冷水温度为 42℃、过冷水质量流量为18.975g/min 以及蒸汽质量流量为 0.2~0.6g/min 时支管出口正对主管内壁面处压力振荡三种明显不同的形式。总体来看,随着蒸汽质量流量的增加,振幅较大的压力密集区呈现递增趋势。在图 4-1a)中压力在-9.3~6.7kPa 之间波动,在 1 秒内出现两个压力密集部分和一段趋于水平的压力曲线,其余时段压力形式都是在 2~6.5kPa 之间进行缓慢地小幅振荡。蒸汽质量流量为 0.4g/min 时,1 秒内出现的压力密集部分为 24 个,相比图 4-1a)中显著增多,此外还出现了部分的小幅振荡。当蒸汽质量流量增加到0.6g/min 时,1 秒内的压力振荡形式呈现出来的类型全部为压力密集区,共 41 个。呈现出了更加明显的周期性,由此得出压力密集区的个数随着蒸汽质量流量的增加而增加。
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结论
近年来,电子设备日趋微型化和智能化,其功率密度明显增加,导致电子器件温度大幅提升,如何解决微电系统热集中现象成为行业焦点。有学者提出利用 DCC 的特性可以解决微电系统热集中现象并设计、制备了微通道相变换热样机,该样机主要利用微通道内蒸汽直接接触间歇凝结水锤诱发的压力振荡产生的高频汽液两相振荡,然而与之密切相关的工程热物理中的流动和传热研究很少。既往对间歇凝结的研究主要集中于常规尺度,而微细尺度的受迫空间必然会导致微细尺度下间歇凝结的压力振荡特性不同于宏观尺度。因此,本课题针对微细尺度下蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡特性进行了研究,揭示了凝结压力振荡机理。
全文主要工作内容和结论如下:
(1)   对原有的 T 型微细通道蒸汽直接接触凝结可视化实验台进行了改造。对实验段进行了重新设计,增加了压力采集系统,以获取瞬时压力数据,并基于此开展进一步分析。
(2)   对微细通道蒸汽直接接触间歇凝结进行了可视化研究。基于汽液界面时空演变行为发现了三种流型,分别为光滑表面间歇凝结、粗糙表面间歇凝结和内部间歇凝结。光滑表面间歇凝结的主要特点为蒸汽虽在主管内形成汽泡但并未发生破裂。粗糙表面间歇凝结的主要特点为蒸汽在主管内形成汽泡并发生破裂。此外,还发现了蒸汽并未到达主管,仅在支管内凝结的现象,即内部间歇凝结,该凝结流型的存在表明了蒸汽凝结具有一定的随机性。
(3)   从统计学视角分析了同工况下汽液界面可视化图像信息和压力振荡时域信号信息,厘清了凝结压力不同振荡形式的诱因。此外,根据压力波形,获得了三种较为典型的压力波,对三种典型间歇凝结压力振荡进行了频谱分析,发现三种典型压力振荡曲线都存在两个主频带,但是主频及主频对应的幅值会出现较大差异,其原因是不同典型压力振荡曲线是由不同流型主导的。
参考文献(略)


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