微細(xì)通道內(nèi)過冷水溫度對(duì)蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)界面波動(dòng)的影響研究

侯娜娜,李樹謙,張 東,張強(qiáng)武,馬坤茹

(1.河北水利電力學(xué)院土木工程學(xué)院,河北 滄州 061001) (2.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 石家莊 050018) (3.河北省數(shù)據(jù)中心相變熱管理技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 滄州 061001) (4.滄州市儲(chǔ)熱及低品位余熱利用型電磁供熱技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 滄州 061001)

蒸汽直接接觸凝結(jié)(direct contact condensation,DCC)是蒸汽與過冷水直接接觸時(shí)發(fā)生動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的一種現(xiàn)象. 由于相間無(wú)熱阻,具有高效的熱質(zhì)傳遞效率,被廣泛的應(yīng)用核電、化工、海水淡化等工程領(lǐng)域[1-6].

目前,已有大量研究學(xué)者對(duì)常規(guī)尺度下蒸汽入射到大池和管道中的蒸汽直接接觸凝結(jié)進(jìn)行了研究,且根據(jù)氣液界面特征不同,劃分為不同流型,如射流振蕩、泡狀凝結(jié)、間歇凝結(jié)等[7]. 例如,郭烈錦等[8]通過垂直管內(nèi)蒸汽逆流射入大池的DCC可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了4種流型,分別為不穩(wěn)定間歇震蕩流型、不穩(wěn)定界面振蕩流型、不穩(wěn)定氣泡振蕩流型和穩(wěn)定射流凝結(jié)流型.

鑒于蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)具有過冷水周期性被吸入、脫離支管的特征,從而會(huì)誘發(fā)相關(guān)設(shè)備的震動(dòng)[9-10]. 故關(guān)于蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)引起壓力瞬時(shí)變化及過冷水溫度對(duì)間歇凝結(jié)影響的研究較多. Hujala[11]等在研究蒸汽入射到壓力抑制池時(shí)發(fā)現(xiàn),飽和蒸汽在過冷水中的DCC會(huì)引起壓力瞬時(shí)變化,使液體加速?zèng)_擊周圍結(jié)構(gòu),從而對(duì)周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較高的載荷. Arinobu等[12]進(jìn)行了沸水堆突發(fā)失水事故時(shí)出現(xiàn)的蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)研究,發(fā)現(xiàn)由汽泡破裂和蒸汽快速凝結(jié)產(chǎn)生的壓力振蕩可能會(huì)誘發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)疲勞. Li等[13]在不同過冷水溫度工況下開展了蒸汽射入大池的可視化實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加間歇凝結(jié)汽泡由圓錐形變?yōu)榍蛐?這與Puustinen等[14]得到了相似的結(jié)論. Gregu等[15]開展了間歇凝結(jié)機(jī)理探究實(shí)驗(yàn),依據(jù)蒸汽質(zhì)量流量和池水溫度繪制了間歇凝結(jié)流型圖,由流型圖可以觀察到:隨著大池過冷水溫度升高,內(nèi)部間歇凝結(jié)逐漸向輕微間歇凝結(jié)轉(zhuǎn)變. 李樹謙[16]對(duì)常規(guī)尺度T型管內(nèi)直接接觸凝結(jié)進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)過冷水為70 ℃時(shí),間歇凝結(jié)周期內(nèi)蒸汽在水平主管中的時(shí)間要比過冷水溫度為30和50 ℃時(shí)停留的時(shí)間要長(zhǎng).

可見既往研究中間歇凝結(jié)的研究主要集中在常規(guī)尺度,且由于間歇凝結(jié)引起的壓力振蕩會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行造成不利影響,故其是被抑制的對(duì)象. 然而近年來(lái)有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),微細(xì)通道條件下由間歇凝結(jié)誘發(fā)的高頻汽液兩相流振蕩使得流動(dòng)沸騰臨界熱流密度得到顯著提高[17-19],并能有效解決高熱流密度電子元件散熱問題. 且已有研究表明,尺度效應(yīng)會(huì)使得微細(xì)通道內(nèi)汽液流動(dòng)、傳熱特性不同于常規(guī)尺度[20-22]. 因此,顯著區(qū)別于常規(guī)尺度蒸汽直接接觸凝結(jié),微細(xì)尺度下的蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)汽液界面演變特征的研究有待深入研究和探索.

1.電加熱數(shù)顯恒溫水域;2.去離子水儲(chǔ)存瓶(2 000 mL);3.純凈水儲(chǔ)存瓶(5 000 mL);4.蒸汽和過冷水流量集成控制系統(tǒng)(包括:精密雙柱塞泵、電磁三通閥、電磁截止閥、蠕動(dòng)泵、電加熱水箱);5.精密蒸汽發(fā)生器;6.LED背光源;7.T型微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段;8.集水瓶;9.高速攝像機(jī);10.DAQ數(shù)據(jù)采集板卡和主機(jī)箱;11.工控機(jī);12.溫度數(shù)據(jù)采集軟件操作系統(tǒng);13圖像采集軟件操作系統(tǒng)圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1 實(shí)驗(yàn)部分

如圖1所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過冷水雙循環(huán)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)及T型可視化實(shí)驗(yàn)段組成. 其中實(shí)驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)形式、主支管段尺寸、蒸汽入射及過冷水流動(dòng)方向如圖2所示.

圖2 T型可視化實(shí)驗(yàn)段示意圖Fig.2 Schematic diagram of the T-type visualization experiment channel

圖2為T型可視化實(shí)驗(yàn)段示意圖,實(shí)驗(yàn)段材質(zhì)為石英玻璃管. 水平主管內(nèi)徑為1.4 mm、外徑為5.88 mm及管長(zhǎng)為310 mm. 豎直支管內(nèi)徑為0.7 mm、外徑為4.98 mm及管長(zhǎng)105 mm. 此外,支管中心距過冷水入口端和出口端的距離分別為62 mm、248 mm. 需要補(bǔ)充說(shuō)明的是:(1)在過冷水入口端及出口端安裝了T型熱電偶,用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中過冷水溫度瞬時(shí)變化趨勢(shì),其次還可以確保流入實(shí)驗(yàn)段的過冷水溫度滿足實(shí)驗(yàn)條件. 實(shí)驗(yàn)中采用的熱電偶,已利用恒溫水域箱進(jìn)行了標(biāo)定. (2)本文列舉的可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果中水平主管內(nèi)過冷水流動(dòng)方向與圖2中的過冷水流動(dòng)方向一致,即自右向左.

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中涉及主要設(shè)備的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 1 equipment technical parameters

其中精密雙柱塞泵(DP-310)、精密汽化器(CEM-001)和T型可視化實(shí)驗(yàn)段的豎直支管之間的連接管路是內(nèi)徑為0.5 mm的Peek管.

此外,關(guān)于該系統(tǒng)中部分重要設(shè)備的功能及精確度的詳細(xì)概述可見表2.

表2 設(shè)備的功能及精確度Table 2 Function and accuracy of equipment

2 實(shí)驗(yàn)工況及方案

本次實(shí)驗(yàn)過程中汽液工況如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)工況Table 3 Experimental conditions

需要補(bǔ)充解釋的是:表3中蒸汽質(zhì)量流量為控制面板中顯示蒸汽體積流量,其減去90 μL/min為蒸汽自支管入射至主管內(nèi)流動(dòng)過冷水的體積流量. 原因是:精密汽化器與實(shí)驗(yàn)段豎直支管之間的連接管段是內(nèi)徑為0.5 mm peek管,該管段沿程阻力較大. 此外,觀察可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在蒸汽體積流量90 μL/min工況下,蒸汽充滿支管但未入射至主管內(nèi). 因此,可以推測(cè)該peek管的沿程阻力約為90 μL/min.

實(shí)驗(yàn)方案如下:啟動(dòng)蠕動(dòng)泵運(yùn)行過冷水正循環(huán)系統(tǒng),將過冷水注入電加熱水箱內(nèi). 當(dāng)觀察到過冷水從水箱頂部回流至純凈水儲(chǔ)存瓶時(shí),開始分別設(shè)定電加熱水箱及恒溫水域箱為100 ℃并持續(xù)加熱6 h,目的是消除實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的不凝汽(具體功能見表2). 然后,讓水箱溫度自然冷卻至30 ℃(控制面板中可直接顯示). 緊接著運(yùn)行過冷水逆循環(huán)系統(tǒng),使得過冷水再在整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中循環(huán)5 min左右,其目的是為了消除微細(xì)通道的熱慣性. 其次,開啟精密雙柱塞泵和精密汽化器(具體功能見表2),隨后產(chǎn)生的新鮮蒸汽通過支管持續(xù)入射至主管內(nèi)流動(dòng)過冷水中. 待實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后(即過冷水入口端溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度且恒定),依次打開LED背光源、高速攝像機(jī)(幀率為5 000 fps)、圖像采集軟件,進(jìn)而捕捉蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)過程中汽液界面瞬時(shí)演變特征. 過冷水溫度40 ℃和50 ℃工況的實(shí)驗(yàn)過程與30 ℃相同,因此不再過多贅述.

此外,還需說(shuō)明:對(duì)整個(gè)蒸汽輸送管段進(jìn)行了100 ℃的持續(xù)伴熱并且用10 mm厚玻璃纖維保溫棉將其包裹,目的是防止蒸汽在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前液化.

為了提高可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性,同一工況開展了3次以上實(shí)驗(yàn).

圖3 過冷水30 ℃時(shí)2個(gè)不同周期內(nèi)的典型汽液界面演變過程Fig.3 Typical steam-water interface evolution process in two different periods at sub-cooled water temperature of 30 ℃

3 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3描述了蒸汽溫度100 ℃、過冷水溫度30 ℃、蒸汽體積流量550 μL/min及過冷水體積流量14 758 μL/min工況下,兩個(gè)間歇凝結(jié)周期內(nèi)典型汽液界面演變過程. 由圖可見,蒸汽自豎直支管入射至水平主管內(nèi)流動(dòng)過冷水后,汽羽首先進(jìn)入增長(zhǎng)階段(ta=0～0.4 ms). 出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是:凝結(jié)初期新鮮蒸汽入射量較大于蒸汽凝結(jié)量. 隨著新鮮蒸汽的補(bǔ)充汽羽頭部出現(xiàn)“頸縮”,且汽羽由光滑面演變?yōu)榇植诿?ta=0.6 ms),該現(xiàn)象的原因可能是部分汽羽發(fā)生“局部?jī)?nèi)爆”和汽羽頭部受過冷水?dāng)_動(dòng)作用,從而導(dǎo)致汽液界面變得粗糙. “頸縮”下部蒸汽區(qū)域瞬間潰滅,與此同時(shí),“頸縮”上部隨著蒸汽的補(bǔ)充蒸汽區(qū)域繼續(xù)增大(ta=0.8 ms),繼而在ta=1.0 ms時(shí)刻,水平主管與豎直支管相交處出現(xiàn)更為明顯的“頸縮”現(xiàn)象,并且汽羽頭部顏色明顯加深. 導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是:此時(shí)過冷水與蒸汽進(jìn)行劇烈的傳熱傳質(zhì),大量的小蒸汽泡發(fā)生重疊使該區(qū)域反射光的強(qiáng)度減弱從而導(dǎo)致顏色較前一時(shí)刻加深.

需要注意的是,在ta=1.4 ms時(shí)刻支管正下方區(qū)域的顏色顯著加深,其主要原因是由于蒸汽泡發(fā)生“整體內(nèi)爆”并分散成數(shù)量極多的微小汽泡所致. 隨后,這些微汽泡群先后經(jīng)歷了多次“頸縮”(例如ta=1.6 ms、ta=2.0 ms)、局部潰滅(例如ta=1.8 ms、ta=2.4 ms)、直至完全消失的過程. 進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),即使在相同工況下汽液界面的時(shí)空演變行為也不完全一致,表明微細(xì)通道條件下的蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)具有一定的隨機(jī)性.

圖4描述了蒸汽溫度100 ℃、過冷水溫度40 ℃、蒸汽體積流量550 μL/min及過冷水體積流量14 758 μL/min工況下,兩個(gè)間歇凝結(jié)周期內(nèi)典型汽液界面演變過程. 在該工況下汽液界面演變過程與圖3相似,且汽羽增長(zhǎng)時(shí)間基本相同(t=0～0.4 ms),但圖4周期內(nèi)出現(xiàn)汽液界面粗糙至“頸縮”下部蒸汽區(qū)域完全潰滅所用時(shí)間(例如t=0.6～1.0 ms)較長(zhǎng)于圖3(a),水平主管內(nèi)汽液兩相區(qū)均較大于圖3(a). 出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)殡S著過冷水溫度的升高,蒸汽的凝結(jié)速率降低. 通過進(jìn)一步觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn),圖4中相同工況下不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液界面波動(dòng)也存在一定的差異:圖4(b)除了在豎直支管下方形成與圖4(a)相似的圓柱形蒸汽區(qū)域外(tb=1.6 ms,ta=1.4 ms),蒸汽區(qū)域的頭部向豎直支管軸線兩側(cè)對(duì)稱延伸(tb=3.8 ms),逆冷水流動(dòng)方向一側(cè)發(fā)生潰滅,順冷水流動(dòng)方向一側(cè)蒸汽區(qū)域繼續(xù)增大且在蒸汽區(qū)域的水平、豎直交接處出現(xiàn)明顯“頸縮”(tb=5.2 ms),隨后“頸縮”左側(cè)水平方向蒸汽區(qū)域與豎直方向蒸汽區(qū)域發(fā)生脫離、潰滅(tb=5.4～6.0 ms). 另外,圖4(b)周期內(nèi)水平主管內(nèi)存在的汽液兩相區(qū)的時(shí)間(tb=0.6～9.6 ms)要明顯長(zhǎng)于圖4(a)汽液兩相區(qū)存在時(shí)間(ta=0.6～4.0 ms).

圖4 過冷水40 ℃時(shí)2個(gè)不同周期內(nèi)的典型汽液界面演變過程Fig.4 Typical steam-water interface evolution process in two different periods at sub-cooled water temperature of 40 ℃

圖5描述了蒸汽溫度100 ℃、過冷水溫度50 ℃、蒸汽體積流量550 μL/min及過冷水體積流量14 758 μL/min工況下,兩個(gè)間歇凝結(jié)周期內(nèi)典型汽液界面演變過程. 在該該工況下汽液界面演變過程與圖3、圖4 基本相同,均存在較短的蒸汽汽羽增長(zhǎng)及較長(zhǎng)時(shí)間的汽液兩相界面演變過程. 但其與圖3、圖4又存在一定的區(qū)別:圖5中汽羽的增長(zhǎng)時(shí)間(t=0～0.8 ms)和汽液兩相區(qū)存在時(shí)間(ta=1.0～5.8 ms,tb=1.4～128.0 ms)均要長(zhǎng)于前2種工況相應(yīng)的時(shí)間(圖3、圖5),另外圖5(a)中汽液兩相區(qū)在增長(zhǎng)階段均沿豎直支管方向到達(dá)水平主管內(nèi)壁底部(ta=0.6～4.4 ms),且部分時(shí)刻出現(xiàn)蒸汽區(qū)域頭部沿豎直支管兩側(cè)方向進(jìn)行延伸(例如ta=1.6 ms,1.8 ms,2.4 ms,2.6 ms). 而圖5b與圖3、圖4的顯著區(qū)別在于:水平主管出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的純蒸汽區(qū)域的增長(zhǎng)(例如tb=4.2～108.2 ms),隨后發(fā)生汽液界面波動(dòng),并在tb=117.8 ms汽液兩相區(qū)面積達(dá)到最大. 間歇凝結(jié)后期出現(xiàn)水平主管內(nèi)水平方向的“蒸汽柱”與豎直方向蒸汽區(qū)域進(jìn)行分離(tb=123.8 ms),且分離后水平方向的蒸汽區(qū)域凝結(jié)較為平緩,發(fā)生凝結(jié)的蒸汽區(qū)域顏色較為透明,直至水平主管內(nèi)凝結(jié)完成(tb=123.8～128.0 ms).

圖5 過冷水50 ℃時(shí)2個(gè)不同周期內(nèi)的典型汽液界面演變過程Fig.5 Typical steam-water interface evolution process in two different periods at sub-cooled water temperature of 50 ℃

圖6描述了蒸汽溫度100 ℃、過冷水溫度30 ℃、蒸汽體積流量550 μL/min及過冷水體積流量14 758 μL/min工況下,1 000 ms內(nèi)不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)蒸汽與過冷水分別在水平主管及豎直支管內(nèi)停留時(shí)間的變化情況. 觀察圖6可知,該工況下間歇凝結(jié)頻率為47 Hz,且每個(gè)間歇凝結(jié)周期持續(xù)時(shí)間不同,各間歇凝結(jié)周期所用時(shí)間整體在20 ms上下小幅度波動(dòng),少部分周期在25 ms上下波動(dòng). 其中第41次間歇凝結(jié)周期持續(xù)時(shí)間和過冷水在豎直支管內(nèi)停留時(shí)間最短分別為17 ms、13.2 ms,而第34次間歇凝結(jié)周期持續(xù)時(shí)間及豎直支管內(nèi)過冷水停留時(shí)間最長(zhǎng)分別為27 ms、21 ms.

另外,間歇凝結(jié)周期中水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間總體上較短于豎直支管內(nèi)過冷水停留時(shí)間,且主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間不穩(wěn)定,但大部分蒸汽停留時(shí)間維持4.5 ms左右. 此外還發(fā)現(xiàn),1 000 ms內(nèi)每個(gè)間歇凝結(jié)周期持續(xù)時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)與過冷水在豎直支管內(nèi)停留時(shí)間及蒸汽在水平主管內(nèi)停留時(shí)間的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致.

圖7描述了蒸汽溫度100 ℃、過冷水溫度40 ℃、蒸汽體積流量550 μL/min及過冷水體積流量14 758 μL/min工況下,1 000 ms內(nèi)不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)蒸汽與過冷水分別在水平主管及豎直支管內(nèi)停留時(shí)間的變化情況. 觀察圖7可知,該工況下1 000 ms內(nèi)發(fā)生間歇凝結(jié)的頻率為40 Hz,各間歇凝結(jié)周期所用時(shí)間整體在24 ms上下小幅度波動(dòng),少部分周期27 ms上下波動(dòng). 同樣該工況下全部間歇凝結(jié)周期中,水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間短于豎直支管內(nèi)過冷水停留時(shí)間,且1 000 ms內(nèi)各個(gè)周期中蒸汽和過冷水分別在水平主管及豎直支管內(nèi)停留的時(shí)間有所差異. 其中在第10個(gè)周期中豎直支管內(nèi)過冷水停留時(shí)間最長(zhǎng)約為21.2 ms,而在第35個(gè)周期中水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間最長(zhǎng)約為12.2 ms. 其與圖6的區(qū)別在于水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間與豎直支管中過冷水停留時(shí)間的變化趨勢(shì)不一致,并未出現(xiàn)圖6中隨著水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間的增長(zhǎng),相應(yīng)的豎直支管中過冷水停留時(shí)間也相應(yīng)增長(zhǎng)的規(guī)律,相反部分周期出現(xiàn)水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間增長(zhǎng),豎直支管中過冷水停留時(shí)間變短的現(xiàn)象(例如第35次間歇凝結(jié)).

圖6 過冷水30 ℃時(shí)不同周期內(nèi)的汽水停留時(shí)間Fig.6 The steam-water retention in different periods at sub-cooled water temperature of 30 ℃

圖7 過冷水40 ℃時(shí)不同周期內(nèi)的汽水停留時(shí)間Fig.7 The steam-water retention in different periods at sub-cooled water temperature of 40 ℃

圖8 過冷水50 ℃時(shí)不同周期內(nèi)的汽水停留時(shí)間Fig.8 The steam-water retention in different periods at sub-cooled water temperature of 50 ℃

圖8描述了蒸汽溫度100 ℃、過冷水溫度50 ℃、蒸汽體積流量550 μL/min及過冷水體積流量14 758 μL/min工況下,1 000 ms內(nèi)不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)蒸汽與過冷水分別在水平主管及豎直支管內(nèi)停留時(shí)間的變化情況. 觀察圖8可知該工況下間歇凝結(jié)頻率為33 Hz,間歇凝結(jié)周期持續(xù)時(shí)間的整體波動(dòng)狀況較為平緩且絕大多數(shù)周期約為25 ms,僅個(gè)別周期時(shí)間較長(zhǎng)約為153.8 ms. 與前2種工況相比,絕大多數(shù)同樣存在間歇凝結(jié)周期內(nèi)過冷水在支管內(nèi)停留時(shí)間高于蒸汽在主管內(nèi)停留時(shí)間的規(guī)律,但也出現(xiàn)了水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間高于豎直支管內(nèi)過冷水停留時(shí)間的現(xiàn)象(例如第22和第23個(gè)間歇凝結(jié)周期),尤其是第23個(gè)間歇凝結(jié)周期中水平主管內(nèi)蒸汽停留時(shí)間(128.2 ms)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎直支管內(nèi)過冷水停留時(shí)間(25.6 ms). 此外,觀察圖6至圖8可知:蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)時(shí)間隨過冷水溫度的升高而升高,而凝結(jié)頻率隨過冷水溫度升高而降低.

由圖3至圖5所示的可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,不同工況下間歇凝結(jié)過程中不同周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積不同. 但圖3至圖5僅為3種工況下6個(gè)周期的間歇凝結(jié)的典型時(shí)刻汽液界面演變過程(每種工況 2個(gè)周期),為了進(jìn)一步研究不同工況下各間歇凝結(jié)周期中兩相區(qū)最大面積的變化規(guī)律,將對(duì)不同工況下各周期內(nèi)兩相區(qū)最大面積進(jìn)行圖像處理. 圖像處理過程如圖9所示.

應(yīng)用 MATLAB 圖像處理技術(shù)對(duì)高速攝像機(jī)獲取的圖像信息進(jìn)行處理. 通過對(duì)原始圖像依次采用二值化、取反、填充、去噪等方法獲得汽液兩相區(qū)像素面積,進(jìn)而得到間歇凝結(jié)周期內(nèi)氣液兩相區(qū)的最大面積. 通過圖像處理得到不同工況下的各周期內(nèi)氣液兩相區(qū)的最大面積變化規(guī)律如圖10所示.

圖9 圖像處理過程示意圖Fig.9 The Schematic diagram of image processing

圖10 不同工況下各周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積對(duì)比圖Fig.10 Comparative of largest steam-water two-phase areas in different periods and working conditions

圖10描述了過冷水溫度30 ℃、40 ℃及50 ℃工況下,1 000 ms內(nèi)不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積的波動(dòng)情況. 由圖可知各間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積隨過冷水溫度升高而升高,且振幅隨溫度的升高也有明顯的升高. 進(jìn)一步觀察不同工況下汽液兩相區(qū)最大面積的變化過程,發(fā)現(xiàn)在30 ℃工況下大多數(shù)間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積在0.2 cm2上下小幅度波動(dòng),部分周期內(nèi)波動(dòng)幅度稍大(第32至第個(gè)38周期)且最高為0.38 cm2. 在40 ℃工況下大多數(shù)間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積在0.38 cm2上下較大幅度波動(dòng),部分周期內(nèi)波動(dòng)幅度較大(第31至第個(gè)38周期)且最高為0.53 cm2. 而在 50 ℃工況下各間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積變化總體較為平緩,僅第23個(gè)周期出現(xiàn)十分明顯的振蕩變化,且在該周期內(nèi)出現(xiàn)3種工況中最大的汽液兩相區(qū)面積約為1.77 cm2.

此外,結(jié)合圖6～圖8及圖10觀察可以發(fā)現(xiàn),1 000 ms內(nèi)每個(gè)間歇凝結(jié)周期所需時(shí)間的變化趨勢(shì)與該周期內(nèi)的汽液兩相區(qū)最大面積的變化趨勢(shì)基本一致. 由上述現(xiàn)象表明,蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)過程中間歇凝結(jié)周期持續(xù)時(shí)間不穩(wěn)定的原因可能是由汽液兩相區(qū)最大面積波動(dòng)所致.

進(jìn)一步觀察并對(duì)比圖8和圖10發(fā)現(xiàn),過冷水溫度為50 ℃時(shí)間歇凝結(jié)的第23個(gè)周期在“汽水停留時(shí)間”和“汽液兩相區(qū)最大面積”均出現(xiàn)了與其他周期顯著不同的突變. 這兩種現(xiàn)象的主要原因是,該工況下過冷水溫度較高,其冷凝能力相對(duì)下降,導(dǎo)致水平主管內(nèi)出現(xiàn)了尺寸顯著較大的“蒸汽柱”而非尺寸較小的“蒸汽泡”,“蒸汽柱”被完全冷凝的時(shí)間及汽液兩相區(qū)最大面積相應(yīng)延長(zhǎng)和增加.

4 結(jié)論

基于T型微細(xì)通道內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái),利用高速攝像機(jī)獲取了3種不同過冷水溫度下的汽液界面瞬時(shí)圖像信息,通過MATLAB對(duì)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行圖像處理,分析了不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積的變化規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)過冷水溫度會(huì)顯著影響蒸汽泡的增長(zhǎng)、頸縮和內(nèi)爆進(jìn)程,隨過冷水溫度升高一方面蒸汽泡在發(fā)生“內(nèi)爆”之前的外形隨之增大,此外“內(nèi)爆”后的汽液兩相區(qū)面積亦隨冷水溫度升高而增加. 另外,在微細(xì)通道條件限制下,蒸汽泡在間歇凝結(jié)過程中會(huì)相繼發(fā)生多次“頸縮”和“內(nèi)爆”現(xiàn)象,該現(xiàn)象在宏觀尺度下的直接接觸凝結(jié)中并未提及. 出現(xiàn)多次“頸縮”和“內(nèi)爆”現(xiàn)象的主要原因可能是,在微細(xì)尺度條件下過冷水流量及其凝結(jié)能力受到限制,水平主管內(nèi)的蒸汽泡發(fā)生“振蕩”凝結(jié).

(2)過冷水溫度為30 ℃、40 ℃和50 ℃時(shí),間歇凝結(jié)頻率分別為47 Hz、40 Hz和33 Hz,可見隨過冷水溫度的升高間歇凝結(jié)頻率總體呈降低趨勢(shì),這主要是由于過冷水溫度升高其凝結(jié)驅(qū)動(dòng)勢(shì)下降所致. 此外觀察發(fā)現(xiàn),即便是同種工況下蒸汽在主支管內(nèi)停留時(shí)間也存在一定的波動(dòng)性,主要原因在于微細(xì)通道條件下的蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)汽液界面瞬時(shí)劇烈的傳熱傳質(zhì)加劇了兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性.

(3)1 000 ms內(nèi)每個(gè)間歇凝結(jié)周期所需時(shí)間的變化趨勢(shì)與該周期內(nèi)水平主管內(nèi)的汽液兩相區(qū)最大面積的變化趨勢(shì)基本一致,表明對(duì)于T型微細(xì)通道條件下的蒸汽直接接觸凝結(jié)而言,凝結(jié)主要發(fā)生水平主管內(nèi)而非豎直支管中.