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研究

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根据汽液界面波动特征,蒸汽直接接触凝结可以划分为多种流型,间歇凝结为其中的典型流型之一,其具有过冷水周期性地进入和排出蒸汽管的特征。该流型伴随的汽液界面瞬时剧烈波动以及由此导致的压力振荡,近几十年来一直是研究的热点问题。鉴于间歇凝结诱发的压力振荡对系统安全的不利影响,在宏观尺度下,特别是核电等领域,间歇凝结的研究内容普遍集中在抑制其压力振荡方面。然而从另外一个视角,已有学者于近些年提出在微细尺度条件下,利用蒸汽直接接触间歇凝结的特性可以解决高热流密度电子器件的散热,在微机电系统层面初步研制了样机,但与此相关的压力振荡特性及其影响因素尚需深入研究。可见,深入探讨微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结两相界面波动特征和压力振荡特性对新型高热流密度电器器件散热装置的设计和研发具有重要的科学和工程意义。本研究首先在原有实验台基础上,进行了重新设计和改造,重点增加了凝结压力振荡测量系统。随后开展了微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结的可视化实验和凝结压力振荡研究,进一步细化了间歇凝结流型、获取了相应的压力信号,开展了压力的频谱分析,明晰了流型和凝结压力振荡特性之间的内在联系。根据间歇凝结界面波动特征将其归结为内部间歇凝结和外部间歇凝结,其中外部间歇凝结可进一步划分为粗糙表面间歇凝结和光滑表面间歇凝结。内部间歇凝结整个过程蒸汽凝结在竖直支管内完成,未到达水平主管;粗糙表面间歇凝结过程中蒸汽在水平主管内形成汽泡并发生破裂;光滑表面间歇凝结同样在水平主管内形成汽泡但是并没有发生破裂。对上述不同流型的压力振荡进行了时域和频谱分析,为从压力振荡特征开展流型识别奠定了基础。此外,研究发现1秒内压力密集区的个数随蒸汽质量流量的增加而增多。压力振荡强度(标准差)随着蒸汽质量流量的增加而增加,而在不同过冷水流量下的压力振荡强度变化不明显。峭度系数随蒸汽质量流量的增加首先经历了减小随后趋于平稳,发现其受过冷水质量流量的影响较小,而受蒸汽质量流量变化的影响较大。随蒸汽质量流量的增加,压力振荡第一主频大致呈现先减小后增大的规律,而第一主频对应的幅值大致呈现先增大而后减小的规律。随过冷水质量流量的增加,压力振荡第一主频基本呈现出增加的规律。本研究进一步提升了对微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结的认知,厘清了两相界面波动特征,分析了凝结压力振荡的诱发机制,分析了不同汽水流量对间歇凝结的影响规律。期望研究成果对微细通道内间歇凝结的工程应用有一定的参考价值。
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