本文是一篇土木工程论文，笔者对微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结做了深入的研究，归纳总结了流型分布、相界面形态结构和相界面运动参数，分析了间歇凝结的蒸汽泡形成特性和运动特性，揭示了间歇凝结中蒸汽与过冷水直接接触的换热机理。
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
在科技迅速发展的今天，电子设备不断向高集成、高性能、小尺寸的方向发展[1-3]，由此带来的是电子元器件功率增大和局部热流密度的上升。近年来，芯片尺寸已经减小至0.18μm，单位面积上集成的电子元器件数量更是达到了105级[4]。随着电子元器件朝着高密度、高功率方向发展，未来的芯片热流密度将超过1000W/cm2[5]，并且功率晶体管内PN结温度每增加10℃，其可靠性将下降60%[6]，失效速率增加一倍[7] ，因此相关冷却技术的重要性日益凸显。液冷式冷却技术在电子器件高效散热领域的应用日益受到关注[8]，液冷散热器体积更小，冷却效果却是风冷式的1000～3000倍并且可以大幅降低制冷能耗[9]。
液冷冷却技术以工质是否发生相变为依据，可以分为单相液冷和相变液冷，因后者具有更高效的热质传递效率，成为近年来的研究热点。2012年美国南卡罗莱纳大学的科研团队，从MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）角度提出一种芯片级相变液冷微型高效散热元件样机[10-13]，其主要工作原理是利用微通道内蒸汽直接接触冷水凝结（Direct Contact Condensation，DCC），产生自激励、自持续的高频汽液两相振荡，进而能够显著提升临界热流密度。
蒸汽直接接触凝结（DCC）是蒸汽与过冷水直接接触时发生热量和质量传递的一种现象。由于几乎没有相间热阻且具有高效的热质传递效率，被广泛应用于核电，化工，海水淡化等工程领域[14-19]。目前，已有大量学者对常规尺度下蒸汽入射到大池和管道中的蒸汽直接接触凝结进行了研究，且根据气液界面特征不同，划分为不同流型，如射流振荡、泡状凝结、间歇凝结等[20]。其中，鉴于间歇凝结具有过冷水周期性被吸入、脱离管道的特征，从而诱发相关设备的震动[21]，既往关于宏观尺度DCC的间歇凝结现象是一种被抑制的物理现象。然而近年来有学者研究发现，微细通道条件下由间歇凝结诱发的高频汽液两相流振荡使得流动沸腾临界热流密度得到显著提高[11, 22, 23]，能有效解决电子元件的散热问题。已有研究表明，尺度效应会使得微细通道内汽液流动、传热特性不同于常规尺度[24-26]。但是，关于微细尺度下的蒸汽直接接触间歇凝结的研究较少，亟待深入研究和探索。
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1.2 常规尺度蒸汽直接接触凝结研究现状
长期以来，各国学者对于常规尺度蒸汽直接接触间歇凝结引起的瞬时变化及其影响因素的研究较多。例如，Hujala等[27]在研究蒸汽入射到抑压池时发现，饱和蒸汽在过冷水中的冷凝会引起压力瞬时变化，使液体加速冲击周围结构，从而产生较高的载荷。
Arinobu等[28]进行了沸水堆突发失水事故时出现的蒸汽直接接触间歇凝结研究，发现由汽泡破裂和蒸汽快速凝结产生的压力振荡可能会诱发设备的结构疲劳。
Weichao Li等[29]在不同过冷水温度下开展了蒸汽射入大池的可视化实验和数据测量实验，发现随着温度的增加间歇凝结汽泡由圆锥形变为球形，这与Puustinen M等[30]结论一致。
唐继国等[31]通过可视化研究发现，蒸汽直接接触凝结过程中，蒸汽泡表面的波动程度与蒸汽的体积流量正相关，并且在汽泡破裂时会产生大量微小汽泡。
李树谦[32]对常规尺度T型管内直接接触凝结进行了探究，发现当过冷水为70℃时，间歇凝结周期内蒸汽在水平主管中的时间要比过冷水温度为30和50℃时停留的时间要长。
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第2章 实验系统设计及可视化特征参数处理
2.1 实验系统及主要设备
2.1.1 实验系统
微细尺度测试实验台主要由五部分组成：蒸汽发生系统、过冷水循环系统、实验段、温度采集系统、图像采集系统，实验中所用实验段为T型微细通道。实验系统示意如图2-1所示。
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2.2 实验方案
2.2.1 实验工况及不确定度分析
通过控制蒸汽质量流量、过冷水质量流量及过冷水入口温度三种工质参数，探究微细通道内间歇凝结界面形态和运动特征。
2.2.2 实验步骤
具体实验步骤如下：首先启动蠕动泵，控制电磁三通阀使过冷水系统以正循环模式启动，使纯净水箱中的水充满电加热水箱。随后设置水温预定值，开启电加热模块，水温达到预定值后控制电磁三通阀使逆循环模式开启，使过冷水通过实验段。待系统运行一段时间消除管路热惯性后启动双柱塞泵，高温去离子水经精密蒸汽发生器汽化后，进入竖直支管并与水平主管内的过冷水直接接触。待实验系统运行稳定，能够清晰观察到蒸汽直接接触间歇凝结现象时（同时伴随有周期性的轻微喘振声音）。当进出口温度相对稳定后，依次开启LED背光源、高速摄像机及图像采集软件，本实验所采用的高速摄影帧率为5 000帧/s。
实验过程有几个方面需要做进一步说明：为了尽可能地去除液态水中溶解的不凝性气体（主要是空气），使电加热水箱和恒温水浴的温度保持在99℃并维持10个小时。采用上述方法可以消除绝大部分的不凝气，但是实验过程中依然会存在极少量不凝气。
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第3章 间歇凝结汽液相界面形态特征分析 ....................... 25
3.1 间歇凝结流型分类及三维分布图 ....................... 25
3.1.1 光滑表面间歇凝结 .................................. 25
3.1.2 颈缩间歇凝结 ................................. 26
第4章 微细通道内间歇凝结汽液相界面运动特性分析 ........................... 45
4.1 典型工况下汽液相界面运动特征分析 ...................... 45
4.1.1 相界面高度特征 ............................. 45
4.1.2 相界面运动速度特征 .............................. 47
第5章 基于SPSS的流型及可视化特征参数回归分析 ............................. 63
5.1 工质参数对流型的多分类多元logistic回归分析 ............................... 63
5.1.1模型建立 ................................ 63
5.1.2模型拟合优度检验 ........................... 65
第5章 基于SPSS的流型及可视化特征参数回归分析
5.1 工质参数对流型的多分类多元logistic回归分析
5.1.1模型建立
多分类多元logistic回归是一种研究因变量具有3种或者3种以上的分类，同时影响该变量的自变量具有多个因变量控制的非线性回归方法[59]。凝结流型就是一种具有5种类别且有3种自变量控制的因变量，因此采用多分类多元Logistic回归是合适的。表5-1为153组工况下流型的个案处理摘要。
多分类多元logistic回归需要先设定对照组，本着对照组要具有相对较强的稳定性原则，选择再实验工况下出现次数最多的流型NC作为对照组。设流型的值为Y，同时为了准确预测流型，将采用过冷水雷诺数Re作为表征过冷水的流动参数。
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结论
对微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结做了深入的研究，归纳总结了流型分布、相界面形态结构和相界面运动参数，分析了间歇凝结的蒸汽泡形成特性和运动特性，揭示了间歇凝结中蒸汽与过冷水直接接触的换热机理。对于进一步深入了解微细通道内蒸汽直接接触凝结的换热本质，以及后续高热流密度电子器件的散热装置设计提供了理论基础。
全文主要工作、内容及结论如下：
（1） 基于现有可视化实验台，搭建了微细尺度测试实验台，主要提高了系统气密性和耐压能力，增加了数显控制系统，以便于精确控制工质参数。通过高速摄像系统获取了153组工况下的间歇凝结可视化图像，并采用ImageJ和MATLAB对其进行了图像预处理和形态学计算，获取了一系列可视化特征参数：界面穿透深度、界面扩散长度、蒸汽泡截面积、蒸汽泡表面积和蒸汽泡体积5种形态特征参数，凝结频率、相界面高度、凝结稳定性、相界面速度和汽泡周期5种运动特征参数。基于此进行了形态特征分析和运动特征分析。
（2） 实验观察到5种典型凝结流型，分别为光滑表面间歇凝结、颈缩间歇凝结、光滑-颈缩间歇凝结、复合间歇凝结和泡状-颈缩间歇凝结。其中光滑-颈缩间歇凝结和泡状-颈缩间歇凝结为过渡流型，复合间歇凝结具有多种流型的演变特征，是一种常规尺度种未提及的流型。以过冷水雷诺数、过冷水温度和蒸汽质量流量为坐标轴绘制了流型三维分布图。分析了导致各流型界面演变特征不同的主导因素是蒸汽质量流量所致，其次过冷水对于相界面的冲刷和过冷水温度不同导致相界面处的温度梯度不同也占了一部分原因。
参考文献（略）