微 尺 度 下 沸 腾 不 稳 定 性 的 波 动 信 号 测 量 董 丽 宁 学 号 :009118 机 械 与 动 力 工 程 学 院 工 程 热 物 理 研 究 所 问 题 的 提 出 微 尺 度 下 两 相 流 动 的 研 究 进 来 受 到 普 遍 的 重 视 沸 腾 不 稳 定 性, 根 据 产 生 机 理 可 以 分 为 动 态 不 稳 定 性 (dynamic instability) 和 静 态 不 稳 定 性 (static instability) 动 态 不 稳 定 性 主 要 反 映 了 压 力 质 量 流 率 温 度 控 制 参 数 间 的 相 互 作 用, 表 现 为 三 类 : 压 降 振 荡 (pressure drop oscillation) 密 度 波 振 荡 (density wave oscillation) 以 及 热 振 荡 (thermal oscillation) 对 于 稳 态 或 亚 稳 态 两 相 流 动 中 压 力 温 度 等 参 数 的 测 量, 可 以 采 用 传 感 器 测 量 取 时 域 平 均 的 方 法 ; 相 比 之 下, 不 稳 定 性 现 象 由 于 控 制 参 数 的 波 动 较 大, 使 得 测 量 较 为 复 杂 动 态 测 试 课 程 的 学 习, 可 以 用 于 指 导 沸 腾 不 稳 定 性 的 波 动 参 数 测 量 (a) 剧 烈 的 入 口 / 出 口 压 力 周 期 波 动 [1] 图 1 两 种 典 型 的 不 稳 定 性 压 力 波 动 模 式 (b) 微 小 的 入 口 / 出 口 压 力 无 序 波 动 解 决 方 案 实 验 中 压 力 温 度 参 数 的 波 动 周 期 以 s 为 单 位, 要 求 选 择 的 测 量 仪 器 响 应 时 间 在 0.1s 之 内 1. 压 力 的 测 量 1
试 验 段 入 口 及 出 口 压 力 测 量 采 用 DRUCK PMP10 压 力 传 感 器, 如 图 2 所 示 所 用 两 个 压 力 传 感 器 量 程 分 别 为 7bar 及 15bar 表 压, 精 度 为 ±0.04% FS, 温 度 补 偿 ±1% FS 从 - C 至 + C,0% 的 过 压 能 力, 长 期 稳 定 性 ±0.1% FS 图 2 DRUCK PMP10 压 力 传 感 器 压 力 的 不 确 定 度 : 实 验 中 压 力 值 通 过 采 集 仪 器 采 集 压 力 传 感 器 信 号 的 方 法 来 获 得 压 力 传 感 器 的 精 度 为 0.06%, 最 大 量 程 分 别 为 15 bar( 入 口 压 力 传 感 器 ) 和 7 bar( 出 口 压 力 传 感 器 ), 实 验 中 出 现 的 最 小 压 力 为 bar, 仪 器 采 集 压 力 信 号 的 精 度 为 1/216 所 以 入 口 压 力 的 最 大 相 对 不 确 定 度 为 : 15 2 16 0.06% 1/ 2 2 %, 出 口 7 2 2 16 压 力 的 最 大 相 对 不 确 定 度 为 : 0.06% 1/ 2 0.44% 2. 温 度 的 测 量 微 尺 度 下 常 用 的 温 度 测 量 方 法 见 表 1 [2] 考 虑 微 通 道 的 尺 寸 限 制 以 及 不 稳 定 性 测 量 要 求 较 高 的 动 态 性 能, 因 此 需 要 选 用 体 积 小 分 辨 率 高 且 响 应 较 快 的 测 量 方 式 方 法 [2] 表 1 常 用 温 度 测 量 方 法 的 精 度 温 度 分 辨 率 /K 空 间 分 辨 率 /μm 时 间 分 辨 率 /ms 热 偶 丝 0.01 10 1 半 导 体 二 极 管 0.001 10 0.01 金 属 电 阻 丝 0.001 0.005 半 导 体 热 敏 电 阻 0.001 50 5 红 外 温 度 计 1.0 30 表 面 反 射 0.01 0.5 0.00001 拉 曼 光 谱 1.0 0.5 00 2
液 晶 0.5 76 > 0.1 磁 共 振 1.0 300 石 英 振 荡 器 0.0001 热 电 偶 的 标 定 : 本 实 验 使 用 OMEGA 公 司 生 产 的 T 型 热 电 偶 进 行 温 度 测 量 热 电 偶 金 属 头 直 径 为 0.1 mm, 响 应 时 间 为 0.1 s, 经 过 标 定 后 精 度 为 0.1 K 热 电 偶 标 定 需 要 的 设 备 主 要 包 括 恒 温 水 浴, 标 准 温 度 计, 数 据 采 集 系 统 及 装 有 冰 水 混 合 物 的 保 温 槽 恒 温 水 浴 具 有 加 热 部 件, 制 冷 机 组 和 温 控 部 件, 可 以 实 现 5 o C-95 o C 的 温 度 调 节, 温 控 精 度 为 ±0.05K 标 准 温 度 计 采 用 二 等 标 准 温 度 计, 读 数 误 差 为 0.1K 保 温 槽 使 冰 水 混 合 物 在 较 长 时 间 内 维 持 0 o C; 保 温 槽 中 同 时 还 插 有 标 准 温 度 计 ( 测 温 范 围 -30 o C- o C) 以 检 测 冰 水 混 合 物 的 温 度 波 动 将 被 测 热 电 偶 放 在 恒 温 水 槽 中, 用 标 准 水 银 计 确 定 恒 温 温 度, 热 电 偶 输 入 信 号 直 接 输 入 数 据 采 集 仪 (Agilent 34970A), 直 接 读 出 热 电 势 值 热 电 偶 校 正 的 具 体 步 骤 如 下 : (1) 将 热 电 偶 的 信 号 输 出 端 连 接 到 数 据 采 集 系 统, 并 将 热 电 偶 的 零 度 补 偿 端 浸 没 到 装 有 冰 水 混 合 物 的 恒 温 槽 中 ; 然 后 将 热 电 偶 的 测 温 端 和 标 准 温 度 计 ( 分 别 用 到 0 o C-50 o C,50 o C- o C 两 个 测 量 范 围 ) 的 水 银 头 固 定 在 一 起, 浸 没 到 恒 温 水 浴 中 (2) 热 电 偶 校 正 分 为 升 温 校 正 过 程 和 降 温 校 正 过 程 两 个 步 骤 首 先 是 升 温 校 正 步 骤, 温 度 校 正 从 o C 开 始, 之 后 通 过 恒 温 水 浴 的 温 控 部 件 调 节 水 浴 的 温 度, 并 以 5 o C 为 间 隔, 一 直 升 温 到 95 o C; 在 每 个 温 控 点, 当 温 控 部 件 的 数 字 显 示 读 数 和 标 准 温 度 计 的 读 数 在 较 长 时 间 内 能 够 维 持 不 变, 开 始 记 录 温 度 值 和 各 个 热 电 偶 的 输 出 热 电 势 信 号 从 o C-95 o C 的 升 温 校 正 过 程 结 束 后, 开 始 95 o C- o C 的 降 温 校 正 过 程, 温 度 间 隔 依 然 是 5 o C, 校 正 步 骤 与 升 温 校 正 过 程 相 同 (3) 所 有 需 要 的 数 据 采 集 结 束 后, 将 每 个 温 控 点 热 电 偶 的 输 出 信 号 和 温 度 值 整 理 成 表, 并 利 用 Origin 的 最 小 二 乘 法 线 性 拟 合 功 能 得 出 各 个 热 电 偶 的 输 出 信 号 和 温 度 值 的 线 性 关 系 经 过 线 性 拟 合 发 现, 所 有 热 电 偶 的 线 性 拟 合 值 与 标 准 温 度 计 的 温 度 值 相 差 均 在 0.1K 以 内, 所 以 认 定 本 实 验 热 电 偶 的 测 量 误 差 为 ±0.1K 温 度 的 不 确 定 度 : 3
温 度 值 通 过 采 集 仪 器 采 集 热 电 偶 信 号 的 方 法 来 获 得 标 定 后 热 电 偶 的 精 度 为 0.1 K, 实 验 中 出 现 的 最 小 温 度 为 283 K (10 C), 则 热 电 偶 本 身 的 最 大 相 对 不 确 定 度 为 :0.1/283 % = 0.035% 仪 器 采 集 温 度 信 号 的 精 度 为 1/2 16, 所 以 温 度 的 相 对 不 确 定 度 为 : 2 16 2 0.035% 1/ 2 0.035% 3. 数 据 采 集 数 据 采 集 系 统 使 用 NATIONAL INSTRUMENTS 的 低 成 本 多 用 途 数 据 采 集 卡 PCI-6221( 共 16 路 模 拟 输 入, 采 样 率 :250 ks/s, 分 辨 率 :16 bits) 用 SCXI-1102 模 块 ( 共 32 路 模 拟 输 入 ) 配 合 SCXI-1303 端 子 进 行 热 电 偶 信 号 测 量 ; 用 SCXI-11 模 块 ( 共 8 路 电 压 输 入 ) 配 合 SCXI-1302 端 子 进 行 压 力 传 感 器 信 号 测 量 ; 用 SCXI-1104C 模 块 ( 共 32 路 电 压 输 入 ) 配 合 SCXI-1300 端 子 进 行 微 加 热 器 和 标 准 电 阻 的 电 压 测 量 用 LabVIEW 8.0 软 件 监 视 和 控 制 数 据 采 集 过 程, 并 对 采 集 结 果 进 行 初 步 处 理 采 集 系 统 在 设 定 的 采 集 频 率 (10-5000 Hz) 下, 依 次 对 入 口 出 口 热 电 偶 信 号 (T in 和 T out ), 入 口 出 口 压 力 传 感 器 信 号 ( 和 ) 和 微 加 热 器 标 准 电 阻 电 压 信 号 (V h1 ~V h15 和 V r1 ~V r15 ), 共 34 组 数 据 进 行 顺 序 采 集, 并 存 储 在 计 算 机 中 图 3 数 据 采 集 系 统 示 意 图 测 试 结 果 稳 定 沸 腾 模 式 中 温 度 压 力 变 化 图 4 为 入 口 / 出 口 水 温 (T in 和 T out ) 通 道 壁 面 五 个 位 置 处 的 温 度 (T w1 ~T w5 ) 和 入 口 / 出 口 ( 和 ) 随 时 间 的 变 化 可 以 看 出, 壁 面 温 度 沿 流 动 方 向 逐 渐 升 高, 并 且 温 度 和 压 力 不 随 时 间 有 明 显 变 化, 表 明 该 实 验 工 况 为 稳 定 的 流 动 沸 腾 模 式 [3] 4
1.18 1.16 T in T out T w1 T w2 T w3 T w4 T w5 1.14 1.12 1.08 1.06 1.04 P in P out 0 10 30 50 70 (a) 入 口 / 出 口 和 壁 面 温 度 1.02 0 10 30 50 70 (b) 入 口 / 出 口 压 力 [3] 图 4 稳 定 沸 腾 模 式 中 温 度 和 压 力 随 时 间 的 波 动 不 稳 定 沸 腾 模 式 中 温 度 压 力 的 周 期 变 化 实 验 从 G = 311.2 kg/m 2 s 开 始 连 续 采 集 温 度 和 压 力 信 号 (q eff = 305.7 kw/m 2 ), 直 至 温 度 和 压 力 的 周 期 性 消 失, 结 束 采 集 过 程, 采 集 时 间 连 续 进 行 约 3 小 时 30 分 钟 图 5 给 出 了 在 沸 腾 过 程 中, 入 口 / 出 口 水 温 和 五 个 壁 面 温 度 随 时 间 的 变 化 当 质 量 流 率 为 311.2 kg/m 2 s (0 s < t < 216 s) 时, 所 有 温 度 不 随 时 间 变 化 ( 见 图 5a) 表 明 微 通 道 内 为 稳 定 沸 腾 模 式 当 质 量 流 率 略 微 减 小 为 308.3 kg/m 2 s (350 s < t < 366 s), 温 度 开 始 周 期 性 波 动 ( 见 图 5b) 表 明 微 通 道 内 开 始 出 现 不 稳 定 沸 腾 模 式, 此 时 质 量 流 率 开 始 自 行 缓 慢 减 小 比 较 图 5c 和 5d 可 以 发 现, 壁 面 温 度 的 波 动 周 期 波 动 振 幅 和 温 度 平 均 值 随 着 时 间 的 增 加 而 增 加 t = 11963 s 时, 温 度 的 波 动 幅 度 开 始 变 缓 ( 见 图 5e), 最 后 温 度 仅 存 在 微 小 波 动, 振 幅 约 为 2 C( 见 图 5f), 对 应 质 量 流 率 为 142.3 kg/m 2 s 图 6 给 出 了 不 稳 定 沸 腾 模 式 下, 入 口 和 出 口 压 力 随 时 间 的 变 化 ( 对 应 于 图 5 的 工 况 ) 从 该 图 可 以 看 出 :(1) 入 口 压 力 的 波 动 周 期 振 幅 随 着 时 间 的 增 加 先 增 加 后 减 小, 最 后 入 口 压 力 仅 存 在 微 小 波 动, 幅 度 小 于 00 Pa;(2) 通 道 出 口 压 力 不 随 时 间 变 化 ( 保 持 在 1 atm) 图 7 进 一 步 比 较 了 在 不 稳 定 沸 腾 模 式 下, 通 道 壁 面 温 度 和 入 口 压 力 随 时 间 的 变 化 曲 线 ( 对 应 于 图 5d 和 6d 的 工 况 :q eff = 305.7 kw/m 2,G = 161.0 kg/m 2 s), 并 结 合 可 视 化 分 析 粗 略 识 别 出 了 泡 状 流 和 拉 长 的 泡 状 / 塞 状 流 两 类 流 型 不 稳 定 流 动 沸 腾 模 式 中 这 两 类 流 型 的 交 替 会 导 致 壁 面 温 度 和 入 口 压 力 的 同 周 期 同 相 位 波 动 5
1 1 1 t = 3 min t = 6 min start oscillation t = 29 min 0 2 4 6 8 210 212 214 216 350 352 354 356 358 3 362 364 366 17 1764 1768 1772 1776 (a) G = 311.2 kg/m 2 s (b) G = 308.3 kg/m 2 s (c) G = 299.6 kg/m 2 s 1 1 1 T w1 T w2 T w3 T w4 T w5 t = 3 hr t = 3 hr 15 min Oscillation began to die down t = 3 hr 23 min 11 11124 11128 11132 11136 11950 11955 119 11965 11970 11975 120 122 124 126 128 12210 12212 12214 12216 (d) G = 161.0 kg/m 2 s (e) G = 152.5 kg/m 2 s (f) G = 142.3 kg/m 2 s 图 5 不 稳 定 沸 腾 模 式 中 温 度 随 时 间 的 波 动 (q eff = 305.7 kw/m 2,T in = 35 C) t = 3 min t = 6 min t = 29 min start oscillation 0 2 4 6 8 210 212 214 216 350 352 354 356 358 3 362 364 366 17 1762 1764 1766 1768 1770 1772 1774 1776 (a) G = 311.2 kg/m 2 s (b) G = 308.3 kg/m 2 s (c) G = 299.6 kg/m 2 s t = 3 hr 23 min t = 3 hr t = 3 hr 15 min oscillation began to die down 11 11122 11124 11126 11128 11130 11132 11134 11136 11950 11955 119 11965 11970 11975 120 122 124 126 128 12210 12212 12214 12216 (d) G = 161.0 kg/m 2 s (e) G = 152.5 kg/m 2 s (f) G = 142.3 kg/m 2 s 图 6 不 稳 定 沸 腾 模 式 中 压 力 随 时 间 的 波 动 (q eff = 305.7 kw/m 2,T in = 35 C) 6
1 elongated bubbly/slug bubbly elongated bubbly/slug T w1 T w2 T w3 T w4 T w5 bubbly elongated bubbly/slug 11 11122 11124 11126 11128 11130 11132 图 7 不 稳 定 沸 腾 模 式 中 温 度 和 压 力 随 时 间 的 波 动 存 在 的 问 题 针 对 沸 腾 不 稳 定 性 现 象 的 信 号 波 动, 选 取 测 量 方 式 和 测 量 仪 器 时 考 虑 了 动 态 性 能 的 影 响, 但 是 对 于 所 用 压 力 传 感 器 及 热 电 偶 的 动 态 性 能 尚 未 进 行 分 析 测 试 [4] 实 验 中 忽 略 了 外 部 环 境 扰 动 的 影 响, 未 对 压 力 传 感 器 和 热 电 偶 进 行 减 噪 处 理 参 考 文 献 : [1] W.L. Qu, I. Mudawar, Measurement and prediction of pressure dro two phase micro channel heat sinks, Int. J. Heat Mass Transfer 46 (03) 2737 2753. [2] 刘 静, 微 米 / 纳 米 尺 度 传 热 学, 科 学 出 版 社 (01),( 上 海 交 大 图 书 馆 TN4 05/1) [3] G.D. Wang, P. Cheng, A.E. Bergles, Effects of inlet/outlet configurations on boiling instability in parallel microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (08) 2267 2281. [4] 叶 湘 滨, 张 文 娜, 压 力 传 感 器 动 态 性 能 分 析 及 改 进, 传 感 器 技 术 21 (02) 11 14 7