КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 18-79-10258

НазваниеИспользование микроструктурированных поверхностей для интенсификации теплообмена в тонких пленках жидкости, движущихся под действием потока газа в миниканале

РуководительЧеверда Вячеслав Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2021

Конкурс№30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые словаПлёнка жидкости, интенсификация теплообмена, локальный нагрев, охлаждение микроэлектроники, микрорегион, микрооребрение, аддитивные технологии

Код ГРНТИ44.31.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Глобальной целью проекта является поиск новых методов повышения энергоэффективности технологий, в том числе новых методов существенной интенсификации передачи тепла. Данная проблема остро стоит при создании высокоэффективных мини- и микросистем, что обусловлено высокими темпами развития электроники и микроэлектроники, а также глобальной миниатюризацией устройств в различных областях техники. Исследования необходимы, в том числе, для развития энергоэффективных технологий производства энергии. Для интенсификации теплообмена в проекте предлагается использовать тонкие (10-100 мкм) пленки жидкости, движущиеся под действием потока газа в миниканале (высотой 1-2 мм). В недавних экспериментах авторов проекта были достигнуты рекордные значения теплового потока (1200 Вт/см2) для расслоенного режима течения жидкости и газа в канале (Zaitsev, Tkachenko et al. 2017). Система теплоотвода на таком принципе позволяет использовать мини- и микроканалы, что существенно повышает ее эффективность, и что является принципиальным для целого ряда практических приложений (чипы для производства электроэнергии, микроэлектроника, светодиодная техника, лаборатории в чипах). Для дополнительной интенсификации теплообмена в проекте предполагается использовать специальным образом структурированные поверхности, что позволит создавать в пленке протяженные области так называемого «микрорегиона» со сверхинтенсивным испарением. Микрорегион - это область длиной порядка 1-3 мкм в месте контакта жидкого мениска и твердой стенки. Толщина пленки в этой области плавно снижается от 1-3 мкм до 10-20 нм (адсорбированная пленка). Экспериментально зафиксированная плотность теплового потока в этой области достигает 5 кВт/см2 (P. Stephan, Germany). Существенная кривизна границы раздела газ-жидкость в области микрорегиона, изменение толщины пленки на 2-3 порядка на коротком участке, неравновесные эффекты (скачок температуры на границе раздела и др.), существенное влияние шероховатости и смачиваемости подложки, влияние сил Ван-дер-Ваальса вызывают значительные трудности как для экспериментального так и для теоретического исследования данной проблемы. В этой перспективной области известны систематические экспериментальные работы всего нескольких групп: P. Stephan, Germany; P.C. Wayner, USA; S.V. Garimella, USA. Систематических исследований в двухфазных микроразмерных системах с контактными линиями до сих пор не выполнено, что сдерживает развитие данной отрасли знаний. В рамках проекта будут выполнены теоретические и экспериментальные исследования пленочных течений по микроструктурированным поверхностям, с целью формирования научно-технического задела для развития энергоэффективных технологий в энергетике, и других отраслях промышленности таких как транспорт, аэрокосмическая индустрия, автомобильная промышленность, микроэлектроника. Для изготовления микроструктурированных поверхностей планируется использовать аддитивные технологии (в сотрудничестве с компанией ООО «ЛОГИКС», г. Новосибирск). Данная технология открывает новые возможности в техническом плане и имеет ряд преимуществ перед традиционными методами обработки поверхностей (фрезеровка, точение, плавление в формах и др.).

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения работ по проекту ожидается получить следующие результаты: 1) С использованием аддитивных технологий будет разработана технология изготовления нагревательных элементов с двумерными и трехмерными микроструктурами. Морфология полученных поверхностей будет исследоваться на микро- и наномасштабе при помощи атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. 2) Будет разработана математическая модель и численный алгоритм, а также будет выполнено численное исследование гидродинамики и тепломассообмена при совместном движении испаряющейся жидкости и потока газа в канале треугольного профиля. 3) При помощи высокоскоростного шлирен метода с большим оптическим увеличением будет исследовано течение жидкости, увлекаемой потоком газа в миниканале, по нагреваемой поверхности с продольными микроребрами треугольного профиля. Будет выполнена верификация разработанной модели. Будет выявлен вклад сверхинтенсивного испарения на границе динамических контактных линий в интегральный теплообмен. 4) Будут проведены экспериментальные исследования динамики течения и теплообмена в нагреваемой пленке жидкости, увлекаемой потоком газа в миниканале, на поверхностях с различными микроструктурами (двумерные продольные микроструктуры треугольной и прямоугольной формы, а также трехмерные микроструктуры). Будут выявлены тип и размер микроструктур, обеспечивающих максимальный коэффициент теплоотдачи для заданных расходов жидкости и газа. Научная значимость ожидаемых результатов обусловлена тем, что недостаточно полное понимание процессов переноса в двухфазных микросистемах с контактными линиями в настоящее время сдерживает развитие целого ряда направлений в механике и теплофизике. Выполнение проекта может оказать принципиальное влияние на развитие математических моделей, разрабатываемых в России и за рубежом. Поскольку процессы переноса в области динамической линии контакта являются одной из важнейших нерешенных проблем теплофизики и гидродинамики, то решение поставленных в проекте проблем может внести существенный вклад в развитие мировой фундаментальной науки и техники. Общественная значимость ожидаемых результатов заключается в том, что выполнение проекта позволит сделать рывок в развитии высокоэффективных миниатюрных теплообменных систем нового типа. Результаты исследований необходимы для развития энергоэффективных технологий производства энергии и охлаждения светодиодного и высокопроизводительного электронного оборудования. На основе полученных результатов будут даны конкретные рекомендации для создания высокоэффективных систем охлаждения. Можно ожидать, что проект будет способствовать развитию энергетики, и других отраслей промышленности таких как транспорт, аэрокосмическая индустрия, автомобильная промышленность, микроэлектроника, химическая промышленность, биотехнологии, медицина и др. В рамках проекта предполагается получить результаты, которые могут использоваться в курсах лекций и семинаров НГУ, что приведёт к более качественной подготовки студентов. Оборудование и стенды лаборатории могут использоваться в педагогической деятельности и для популяризации науки среди студентов НГУ. Результаты работы по проекту планируется публиковать в высокорейтинговых международных и российских журналах, а также докладывать на Отечественных и Международных конференциях. Некоторые результаты в дальнейшем станут основой диссертационных работ молодых участников проекта.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---