Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Модернизирована экспериментальная установка для исследования быстропротекающих процессов при кипении в микроканале. С использованием скоростного шлирен метода и ИК метода исследована гидродинамика двухфазного течения в созданных микроканалах. Проведено сравнение режимных карт в зависимости и используемых жидкостей (воды и FC-72). Для пузырькового режима течения размер пузыря обусловлен поверхностным натяжение. Для воды поверхностное натяжение 72 мН/м, а для FC-72 – в семь раз меньше, 10 мН/м. То есть, при одном и том же газосодержании, для FC-72 характерно большее количество пузырей, но меньших их размер в сравнении с водой. Этот факт также подтверждается законом Лапласа, связывающем кривизну поверхности пузыря с поверхностным натяжением. Большее количество пузырей меньшего размера могут занимать большую площадь не сливаясь, по сравнению с меньшим количеством больших пузырей, поэтому для FC-72 переход ко вспененному режиму, характеризующемуся наличием коалесценции, происходит при большем газосодержании и, соответственно, больших приведенных скоростях газа. Что касается «пленочных» режимов течения – раздельного и кольцевого, то для них определяющим параметром является смачиваемость поверхности. Для FC-72 угол смачивания значительно меньше (<10°), чем для воды (~100°), поэтому пленка жидкости образуется при меньших расходах при лучшем смачивании. Проведены первые эксперименты по исследованию кипения в плоских микроканалах. При небольших тепловых потоках наблюдался конвективный режим теплообмена, c увеличением теплового потока начинали формироваться пузыри, начинался процесс кипения. Как правило, при небольших тепловых потоках пузыри формировались возле стенок микроканала. С увеличением теплового потока пузыри начинают формироваться и на центре нагревателя. Когда размер пузырей становится достаточно большим, происходит коалесценция, режим кипения становится вспененным. При дальнейшем увеличении теплового потока, газосодержание увеличивается, происходит переход к кольцевому режиму. При дальнейшем увеличении теплового потока, наблюдается частичное осушение нагревателя. Кризис происходит в момент практически полного испарения жидкости. Исследована зависимость теплового потока на нагревателе от температурного напора при различных расходах жидкости. Получены первые результаты по исследованию динамика роста пузыря в условиях микрогравитации. Полученная зависимость диаметра пузыря от времени аппроксимируется степенной зависимостью методом наименьших квадратов. Выделено три характерных этапа роста пузыря. Первый, от 0 до 20 мс, представляет собой зону, в которой наблюдается быстрый рост пузырьков под действием лазерного импульса. Вторая зона является переходной, как правило, она длится 1-2 с, для этого случая показатель степени равен 0,51-0,59. И третья зона, когда показатель степени увеличивается, для этого случая до 0,59-0,61. Исследована динамика роста пузырьков в зависимости от давления. Диаметр пузырьков несколько уменьшается с увеличением давления. Но показатель степени и коэффициент умножения практически не меняется при давлении. Это связано с более быстрым ростом пузырьков в начальный момент после зарождения. В дальнейшем темпы роста практически одинаковы. Исследована гидродинамика в прямоугольных каналах с различной конфигурацией смесителя. На основе полученных экспериментальных данных исследовано пять режимов течения, характерных для потоков в мини- и микроканалах с Т-образным смесителем: параллельный, снарядный, пузырьковый, снарядно-кольцевой и вспененный. Проведено исследование влияния высоты канала на режимы двухфазного течения. Построена сравнительная режимная карта для миниканалов сечением 1×1 мм; 0,51×1 мм; 0,23×1 мм. С уменьшением высоты канала существенно уменьшается область снарядного режима течения за счет расширения области снарядно-кольцевого режима. Граница параллельного режима течения практически совпадает для всех каналов кроме миниканала сечением 1×1 мм, где она сдвигается в сторону более высоких приведенных скоростей газа, расширяя область параллельного режима течения. Также стоит отметить, что корреляция Haase et al. (2020) количественно описывает границу перехода к снарядного режима течения. Исследованы длины снарядов, жидкостных перемычек, а также их скорости. Исследованы распределения размеров снарядов. Рассчитаны параметры распределения: среднее значение и стандартное отклонение. Исследована зависимость длины газового снаряда от приведенной скорости жидкости, а также сравнение с основными корреляциями. Для миниканала высотой 1 мм данные лежат наиболее близко к корреляции Qian and Lawal (2006). Для более высоких приведенных скоростей жидкости, данные наилучшим образом согласуются с корреляцией Qian and Lawal (2006). Корреляции Shao et al. (2008) лучше описывает данные для микроканала 0.23 мм. Но следует отметить, что в этом подходе высота канала не оказывает влияния на длины газовых снарядов. В этом случае процесс формирования пузыря точно не описывается механизмом блокировки – сжатия. Исследована зависимость длины газового снаряда от приведенной скорости газа, а также сравнение с основными корреляциями Для обоих микроканалов при небольших приведенных скоростях газа, данные лежат близко к литературным корреляциям. С увеличением приведенной скорости газа, расхождение с корреляциями существенно растет. Для миниканала высотой 1 мм корреляция Qian and Lawal (2006) лежит наиболее близко к данным. Для микроканала высотой 0,23 мм наиболее близко к данным лежит корреляция Shao et al. (2008), однако, эта корреляция не учитывает влияния высоты канала. Диапазон капиллярного числа для миниканала высотой 1 мм составляет 0,007<Ca<0,02, а для микроканала высотой 0.23 мм – 0,005<Ca<0,015. Корреляции при этом описывают только минимальные значения диапазона. При высоких капиллярных числах необходимо также учитывать касательные напряжения, которые пренебрегаются в подходе Garstecki et al. (2006). Исследована зависимость длинны газового снаряда от высоты канала. Можно отметить, что данные лежат наиболее близко к корреляции Qian and Lawal (2006) и при уменьшении высоты канала разброс увеличивается. Корреляция Shao et al. (2008) лежит наиболее близко к данным для микроканала 0,23 мм, при этом значения длин снарядов по корреляции описываются только шириной канала, высота влияния не оказывает. При этом в обоих случаях капиллярные числа достаточно низкие. С увеличением капиллярного числа экспериментальные данные начинают отклоняться от корреляций. Исследована зависимость длины жидкостной перемычки от приведенной скорости газа. Для миниканала высотой 1 мм данные лежат между корреляциями Kreutzer и Shao, а для микроканала 0,23 мм данные наиболее близки к корреляции Qian and Lawal (2006). В данном случае можно отметить, что все корреляции качественно описывают экспериментальные данные, но количественно ни одна из корреляций корректно не описывает влияние высоты канала на длины жидкостных перемычек. Проведено экспериментальное и численное исследование пузырей Тейлора в квадратном миниканале со стороной 1 мм с использованием VOF метода. Показано, что измеренные в эксперименте параметры соответствуют таковым, полученным при численном моделировании. Получены подробные характеристики течения при развитом движении серии пузырей Тейлора для чисел Рейнольдса от 100 до 1000 и капиллярного числа в диапазоне 0.0006-0.006 в условиях. Для подробного исследования течения в жидкой пленке была использовано подробная сетка, которая сгущалась к стенке, тем самым позволяя разрешить мелкие детали в структуре течения. Показано, что измеренная толщина пленки жидкости вокруг пузыря согласуется с теоретическими предсказаниями теорий Бретертона и Аквила и Куера. Размер ячеек в сетке таков, что в области наименьшей толщины пленки жидкости попадает до 10 ячеек. Показано, что в движущейся системе отсчета в области между газовым пузырем и стенкой вблизи хвоста пузыря существует каскад рециркуляционных зон разных размеров. Причем наименьшая из наблюдаемых зон существует и в лабораторной системе отсчета.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведено комплексное исследование кипения диэлектрической жидкости FC-72 в плоском микроканале высотой 66 мкм и шириной 10 мм. Микроканал создан в стеклянной пластине при помощи травления. Оптически прозрачный тонкопленочный ITO-нагреватель напылен на сапфировую пластину и находится в непосредственном контакте с рабочей жидкостью. Конструкция установки позволила провести синхронное исследование кипения при помощи скоростного шлирен-метода и ИК-визуализации. Показано, что режимы кипения в плоском микроканале существенно отличаются от результатов, представленных в литературе. Изучены переходы от пузырькового кипения ко вспененному и кольцевому режимам в зависимости от теплового потока и расхода жидкости. Исследованы зависимости плотности теплового потока от температурного напора и коэффициента теплоотдачи от теплового потока. Показано, что интенсивность теплообмена возрастает с увеличением теплового потока, коэффициент теплоотдачи значительно увеличивается. Максимальный коэффициент теплоотдачи наблюдается при кольцевом режиме течения, когда происходит испарение тонкой пленки жидкости. Коэффициент теплоотдачи и критический тепловой поток существенно возрастают с увеличением расхода жидкости. Проведено сравнение характерных величин коэффициента теплоотдачи с данными для кипения в большом объеме. Показано, что для скоростей потока менее 0,15 м/с коэффициент теплоотдачи и критический тепловой поток выше при кипении в большом объеме. При достижении скорости потока 0,18 м/с коэффициент теплоотдачи и критический тепловой поток в исследуемом канале превышают их значения для случая кипения в большом объеме. Проведены исследования по динамики роста одиночного парового пузыря в условиях микрогравитации. Проведена оценка содержания неконденсируемых инертных газов в жидкости. По анализу конденсации пузыря определено, что доля неконденсируемых газов в жидкости составляет ~2%, что подтверждает хорошую степень дегазации. Однако это может быть решающим фактором для обеспечения существования пузырька и может влиять на эффективную температуру . Весь период роста парового пузыря можно разбить на три стадии. На первом этапе пузырь испытывает воздействие лазерного импульса, за счет которого температура нагревателя в области каверны резко возрастает. Продолжительность первой стадии занимает несколько миллисекунд, и как правило, уменьшается с увеличением времени предварительного нагрева, поскольку увеличивается слой перегретой жидкости. На данном этапе пузырь стабилизируется и под действием сил поверхностного натяжения и принимает сферическую форму. В некоторых случаях пузырь может оторваться от поверхности и зависнуть на небольшом расстоянии от нее в слое перегретой жидкости, но из-за наличия в месте зарождения (каверне) пара, образуется новый пузырь, который сливается с первым, как только вырастает до необходимого размера. Второй этап роста является переходным, сначала температура нагревателя под пузырем падает из-за диссипации энергии лазера и затем начинает постепенно возрастать за счет джоулева нагрева, при этом изменение температуры несущественно, по сравнению с третьей стадией роста. Длительность второго этапа занимает 1 - 2 с. Третья стадия – рост под действием постоянного теплового потока с поверхности нагревателя. Третья стадия длится большую часть эксперимента (~8 с), пузырь имеет сферическую форму и монотонно растет. При этом также растет и температура поверхности. Сравнивая динамику роста пузырей в эксперименте по исследованию кипения в микрогравитации и при кипении в плоских микроканалах можно отметить, что в микроканалах механизм роста пузыря существенно отличается. По сути, пузырь является зажатым между двумя стенкам (практически плоским). В этом случае наблюдается существенная конденсация в верхней части пузыря, которая касается стенки. В данном случае, пузырь похож на плоскую испарительную камеру, где в нижней части испаряется тонкая пленка жидкости (микрослой), а в верхней части происходит конденсация. Испарением на межфазной границе в данном случае можно пренебречь. В случае кипения в большом объеме, область конденсации значительно меньше, а также меньше ее вклад в рост пузыря. Кроме того, при росте пузыря в перегретой жидкости также вносит вклад испарение жидкости у межфазной поверхности. Таким образом, скорости роста пузырей в плоском микроканале значительно меньше. Но при этом в степенном законе показатель степени для обоих случаев находится в диапазоне 0.5 - 1. Проведены эксперименты по исследования формирования снарядного режима в мини- и микроканалах, созданных при помощи аддитивных технологий (DLP метод). Использовались смесителя различной конфигурации для стабилизации снарядного режима. Определено, что тип смесителя не оказывает существенного влияния как на границы снарядного режима, так и на карту режимов течения в целом, однако оказывает существенное влияние на стабильность снарядного режима, а также на длины снарядов и перемычек. Наибольшее влияние на длины пузырей и перемычек оказывает ширина подводных каналов. При использовании смесителя, у которого ширина подводного канала существенно меньше ширины основного канала, наблюдаются менее стабильный режим снарядного течения: при малых скоростях потока возникают пульсации; наблюдается существенный разброс по длинам газовых пузырей. По всей видимости, данные эффекты обусловлены значительно отличающейся скоростью газа и жидкости в области смесителя, что вызывает неустойчивости типа Кельвина-Гельмгольца и Рэлея-Плато. Однако стоит отметить, что размер пузырей при этом не является случайным, а статистический разброс длин пузырей может иметь несколько характерных максимумов. Важным параметром, характеризующим течение Тейлора, является толщина пленки жидкости. При малых скоростях толщина пленки жидкости имеет постоянное значение вдоль пузырька, кроме носа и хвоста. С увеличением скорости пузырьков область постоянной толщины пленки становится короче. Вблизи хвоста начинают появляться колебания, амплитуда которых увеличивается с увеличением скорости. В то же время с ростом капиллярного числа длина переходной зоны между носиком пузырька и постоянной толщиной пленки увеличивается, и этот эффект становится более заметным при больших числах Рейнольдса. Авторами проекта предложена корреляция для определения толщины пленки на стенке и в углу квадратного миниканала.