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化工进展 2022年第9期41卷 4644-4652页

作者：张猛李树谦张东马坤茹河北科技大学建筑工程学院河北石家庄050018 河北水利电力学院土木工程系河北沧州061001 河北省数据中心相变热管理技术创新中心河北沧州061001 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

为探究T形微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面的运动特性,利用高速摄像机(帧率为5000帧/s)获取过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min工况下的可视化图像。在此基础上定性分析汽液相界... 详细信息

为探究T形微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面的运动特性,利用高速摄像机(帧率为5000帧/s)获取过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min工况下的可视化图像。在此基础上定性分析汽液相界面的瞬时演变特征,进一步应用图像批处理技术定量分析相界面的前端运动规律,包括相界面位置及速度的瞬时波动特性。研究发现,不同凝结周期内的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大时的形貌、蒸汽泡的溃灭特性等方面有很大差异,主要体现在气泡溃灭时是否发生“局部收缩”和“内爆”等。此外,对于一个典型相界面运动周期而言,蒸汽泡消失阶段所占时间比例最小约为12%。通过分析相界面前端瞬时位置波动曲线,发现利用该曲线获得该工况下的凝结频率为23Hz,且该曲线的峰值分布具有较强周期振荡特性。通过分析相界面前端瞬时速度波动曲线,发现在多个极短时间内出现了速度的瞬时转变以及较为剧烈的多次振荡,速度峰值最大可达11m/s。结合可视化图像,详细描述了相界面速度振荡时的界面演变情况,并揭示“局部收缩”和“内爆”导致速度振荡的机理。

关键词：微通道气液两相流界面间歇凝结相界面运动

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微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡特性

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化工进展 2024年第2期43卷 602-608页

作者：李树谦张超群张东侯娜娜张猛马坤茹河北水利电力学院土木工程系河北沧州061001 河北省数据中心相变热管理技术创新中心河北沧州061001 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 河北建筑工程学院能源工程系河北张家口075132 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... 详细信息

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。

关键词：微细通道直接接触间歇凝结压力振荡频谱分析

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微细通道内过冷水温度对蒸汽直接接触间歇凝结界面波动的影响研究

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南京师大学报（自然科学版） 2022年第1期45卷 22-31页

作者：侯娜娜李树谦张东张强武马坤茹河北水利电力学院土木工程学院河北沧州061001 河北科技大学建筑工程学院河北石家庄050018 河北省数据中心相变热管理技术创新中心河北沧州061001 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

为了探究过冷水温度对T型微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结过程的影响,开展了可视化实验研究.采用高速摄像机(帧率为5000 fps)捕捉到了蒸汽温度100℃、蒸汽体积流量550μL/min及过冷水体积流量14758μL/min等参数恒定且过冷水温度分别为3... 详细信息

为了探究过冷水温度对T型微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结过程的影响,开展了可视化实验研究.采用高速摄像机(帧率为5000 fps)捕捉到了蒸汽温度100℃、蒸汽体积流量550μL/min及过冷水体积流量14758μL/min等参数恒定且过冷水温度分别为30℃、40℃和50℃工况下,1000 ms内汽液界面瞬时演变行为.研究发现,微细通道条件下蒸汽泡在间歇凝结过程中会相继发生多次“颈缩”和“内爆”现象,且随过冷水温度升高“内爆”后的汽液两相区面积逐渐增加;此外,随过冷水温度的升高凝结频率总体减低,而1000 ms内每个间歇凝结周期所需时间的变化趋势与该周期内的汽液两相区最大面积的变化趋势基本一致.

关键词： T型微细通道间歇凝结过冷水温度 “颈缩” “内爆” 凝结频率

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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研究

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研究

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作者：张强武河北科技大学

学位级别：硕士

间歇凝结是蒸汽直接接触凝结中的一种典型流型,即蒸汽与过冷水混合继而凝结后,过冷水周期性吸入和排出蒸汽管道的现象。近年来,有学者提出利用微通道内蒸汽直接接触间歇凝结来实现高热流密度电子元件的高效冷却,然而既往蒸汽直接接触凝... 详细信息

间歇凝结是蒸汽直接接触凝结中的一种典型流型,即蒸汽与过冷水混合继而凝结后,过冷水周期性吸入和排出蒸汽管道的现象。近年来,有学者提出利用微通道内蒸汽直接接触间歇凝结来实现高热流密度电子元件的高效冷却,然而既往蒸汽直接接触凝结研究范畴基本限定在常规尺度,微细通道条件下相关现象涉及的流动和热质传递等则研究极少。因此,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,对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。搭建了T型微细通道蒸汽直接接触凝结可视化实验台,在蒸汽体积流量200-650μl/min、过冷水温度30-60℃,及过冷水体积流量6325-29517μl/min工况下,利用高速摄像机获取了间歇凝结过程的瞬时图像信息,并进一步分析了汽液界面瞬时特征及演变行为受蒸汽体积流量、过冷水温度和过冷水体积流量的影响机制。研究发现,间歇凝结周期内不仅汽水界面演变行为较为丰富,且观察到了既往宏观尺度管道内蒸汽直接接触凝结并未提及的柱状-泡状流,该流型主管内发生了汽柱断裂及非对称增长和缩短过程现象。同时还发现在间歇凝结过程中,水平主管内出现颜色较深的汽液两相混合区,过冷水在竖直支管内处于上升阶段时汽液界面较为粗糙,而处于下降阶段时汽液界面较为光滑。此外,研究发现: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,但随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。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减少。在蒸汽温度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。上述研究和成果对认知微细通道内间歇凝结过程中汽液界面瞬时演变特征、运动行为及相变传热传质机理具有重要意义,同时对新型相变散热元件的结构设计具有一定的参考价值。

关键词：间歇凝结可视化实验 T型微细通道汽液界面频率

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微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结界面形态及运动特征研究

微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结界面形态及运动特征研究

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作者：张猛河北科技大学

学位级别：硕士

蒸汽直接接触间歇凝结是一种具有高传热效率和无中间热阻的凝结方式,具有将过冷水周期性吸入支管的特征。近年来,有学者提出利用微细通道内蒸汽直接间歇凝结诱发的高频汽液两相流振荡特性,使流动沸腾临界热通量显著提高,这在超高热通量... 详细信息

蒸汽直接接触间歇凝结是一种具有高传热效率和无中间热阻的凝结方式,具有将过冷水周期性吸入支管的特征。近年来,有学者提出利用微细通道内蒸汽直接间歇凝结诱发的高频汽液两相流振荡特性,使流动沸腾临界热通量显著提高,这在超高热通量电子器件散热领域具有独特的应用前景。因此,深入探究微细通道内蒸汽直接间歇凝结的汽液相界面形态及运动特征,对于研发新型微通道电子器件散热装置具有重要意义。本文主要做了以下工作:基于设计并搭建的微细尺度蒸汽直接接触凝结测试实验平台,开展在过冷水质量流量5.75-115.09kg/(m·s)、过冷水温度30-65℃及蒸汽质量流量3.09-11.59kg/(m·s)工况下的可视化实验。在153组实验工况下观察到5种典型的间歇凝结流型,根据汽液相界面的凝结方式和形态特征进行了命名和分类,构建了三维凝结流型图。利用图像处理软件Image J和MATLAB对可视化图像进行批量预处理和形态学分析,获取了汽液相界面的形态和运动特征参数,分析了不同流型下的可视化特征参数并探究了汽水工况对前述参数的影响规律。研究发现,5种间歇凝结流型的形态特征参数和运动特征参数差异明显,各类流型的相界面高度随时间变化曲线迥异,可凭此甄别流型。随过冷水温度和蒸汽质量流量增加,相界面的形态特征参数将会明显增大,当过冷水质量流量增加时形态特征参数会大幅减小,运动特征参数随汽水工况变化均呈现出不同的趋势。此外,基于SPSS统计软件,通过多分类多元logistic回归分析获得了汽水参数对于流型的概率关联式,其预测结果准确率最高约为83%。通过线性回归分析计算了汽水参数对于可视化特征参数的相关模型,并获取了其影响程度排序。提出了新型微细通道电子器件散热装置设计思路,并根据多目标规划模型求解了理论最佳工况参数。相关研究结果为后续新型微细通道电子器件散热装置研发提供了一定的理论指导。

关键词：微细通道气液两相流界面间歇凝结相界面运动

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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

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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作者：张东河北科技大学

学位级别：硕士

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。... 详细信息

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。

关键词：微细通道蒸汽直接接触间歇凝结压力振荡振荡主频振荡强度

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蒸汽直接接触间歇凝结界面行为及压力振荡研究进展

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河北水利电力学院学报 2021年第2期31卷 7-16页

作者：张东马坤茹李树谦张强武侯娜娜河北科技大学建工学院河北省石家庄市050018 河北水利电力学院土木工程学院河北省沧州市061001 河北水利电力学院河北省数据中心相变热管理技术创新中心河北省沧州市061001 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省沧州市061001

间歇凝结由于具有过冷水周期性进入蒸汽管并排出的特点而不同于蒸汽直接接触凝结的其他流型,该过程伴随汽液界面瞬时热质传递和强湍流。文中主要从典型周期内凝结汽液界面演变过程、压力振荡以及热量传递三个方面进行回顾和评述,就间歇... 详细信息

间歇凝结由于具有过冷水周期性进入蒸汽管并排出的特点而不同于蒸汽直接接触凝结的其他流型,该过程伴随汽液界面瞬时热质传递和强湍流。文中主要从典型周期内凝结汽液界面演变过程、压力振荡以及热量传递三个方面进行回顾和评述,就间歇凝结的时空演变而言,可大致分为5个典型阶段,即汽泡增长、汽泡破裂、过冷水被吸入蒸汽管、管内凝结以及蒸汽再次喷出。在压力振荡方面,间歇凝结压力瞬变从负峰值开始后进行正弦波动,并具有低频高振幅的特性。目前,关于汽液界面瞬时传热方面的研究仍有较大提升空间,与之相关的界面传热系数大多通过简化模型获得。此外,在展望部分还对微通道条件下间歇凝结在电器元件高效散热领域的最新应用进行了简要评述。

关键词：间歇凝结界面行为热量传递压力振荡

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