Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Аналитический обзор по теме исследований экспериментальных и теоретических работ поставленных задач 17
1.1 Оборудование для экспериментального исследования теплообмена и деформации жидкости в двухфазных потоках. 17
1.2 Методы экспериментального исследования двухфазных потоков 26
1.3 Карты режимов течения двухфазных потоков. 31
1.4 Экспериментальное и теоретическое исследования плёночного течения жидкости в изотермических условиях .. 36
1.5 Экспериментальное и численное исследования ручейкового течения 40
1.6 Теплообмен при двухфазном течении. Системы охлаждения... 43
1.7 Исследовательские платформы для проведения экспериментов
в условиях изменяемого значения ускорения. 50
1.8 Экспериментальное и численное исследования деформации жидкости в двухфазных потоках в условиях с пониженным значением ускорения 64
1.9 Экспериментальное исследование теплообмена в двухфазных
потоках при пониженном значении ускорения. 66
Глава 2: Оборудование для лабораторного эксперимента ...69
2.1 Этапы подготовки оборудования. Структура стенда. Основные параметры.
2.2 Подготовка рабочего участка для определения краевого угла смачивания жидкостью FC-72 подложки миниканала прибором Kruss DSA-30 72
2.3 Оборудование для подачи газа 75
2.4 Система подачи жидкости 77
2.5 Система поддержания заданного давления в рабочем участке и рекуперационная система .79
2.6 Приборы электроснабжения 81
2.7 Водяная система термостабилизации 81
2.8 Модификация и адаптация оптических приборов - скоростной и фазовой шлирен-систем. 82
2.9 Система управления экспериментом и сбора данных. 88
2.10 Подготовка рабочих участков для проведения лабораторных экспериментов. 90
2.11 Создание стенда для лабораторных экспериментов. 105
Глава 3: Исследование теплообмена и деформации в плёнке и ручейке жидкости fc-72 при течении в миниканале под действием потока газа азота в условиях лабораторного эксперимента 109
3.1 Определение степени смачивания подложки миниканала водой и жидкостью FC-72 109
3.1.1 Определение краевого угла смачивания водой подложки миниканала 109
3.1.2 Определение краевого угла смачивания подложки миниканала жидкостью FC-72 методами лежащей капли и газового пузырька 114
3.2 Лабораторные эксперименты с плёночным течением жидкости 123
3.2.1 Деформации плёнки жидкости при изотермическом течении в
горизонтальном миниканале по подложке с постоянной температурой 123
3.2.2 Зависимость теплообмена от основных параметров плёночного течения (расходов жидоксти и газа, теплового потока) и формы
поверхности нагревательного элемента 130
3.3 Теплообмен и деформация при ручейковом течении жидкости 150
3.3.1 Лабораторный эксперимент по исследованию деформации при ручейковом течении жидкости 150
3.3.2 Построение карты разновидностей ручейкового течения .152
3.3.3 Сопоставление плёночного и ручейкового течения по видам деформации 159
3.3.4 Изменение ширины и профиля ручейка жидкости при изменении расходов жидкости, газа и температуры подложки, жидкости и газа на входе в миниканал 167
3.3.5 Сопоставление результатов лабораторных экспериментов, с известными результатами экспериментальных исследований ручейкового течения 167
3.3.6 Сопоставление экспериментально полученного профиля ручейка жидкости FC-72 при течении в миниканале под действием потока газа азота с известным расчётным 169
Глава 4: Теплообмен и деформация жидкости при плёночном и ручейковом течении в условиях параболических и круговых полётов на самолёте (подготовка к эксперименту на борту Международной космической станции). 173
4.1 Постановка задачи 173
4.2 Адаптация лабораторного стенда для экспериментов при параболических полётах в условиях с разным ускорением 175
4.3 Физические основы параболических полётов 179
4.4 Выбор жидкости по физическим свойствам (по теплоте парообразования, поверхностному натяжению) 184
4.5 Деформация плёнки жидкости при разных значениях ускорения в условиях параболических полётов 187
4.6 Теплообмен и деформация ручейка жидкости FC-72 в условиях параболических полётов на самолёте при разных значениях ускорения
4.7 Теплообмен и деформация ручейка жидкости FC-72 в условиях круговых полётов на самолёте при повышенном значении ускорения 199
4.8 Определение параметров инфракрасной камеры для экспериментов на орбите в используемом рабочем диапазоне длин волн 213
4.9 Практические рекомендации по проведению эксперимента на борту Международной космической станции. 215
Заключение. 217
Список основных обозначений. 218
Литература
- Экспериментальное и теоретическое исследования плёночного течения жидкости в изотермических условиях
- Система поддержания заданного давления в рабочем участке и рекуперационная система
- Определение краевого угла смачивания подложки миниканала жидкостью FC-72 методами лежащей капли и газового пузырька
- Выбор жидкости по физическим свойствам (по теплоте парообразования, поверхностному натяжению)
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время системы охлаждения микропроцессоров на базе однофазного течения уже не удовлетворяют современным требованиям эффективности охлаждения. Несмотря на то, что термокапиллярная деформация плёнки жидкости экспериментально и теоретически исследуется с середины ХХ века, вплоть до настоящего времени ощущается недостаток экспериментальных данных о влиянии на теплообмен таких параметров течения, как расход жидкости и газа, температура подложки, величина тепловой мощности при локальном нагреве, ускорение свободного падения и др. Появление новых программно-алгоритмических средств обработки экспериментальных данных и постоянное совершенствование аппаратуры для поддержания расходов жидкости и газа, начальной температуры, а также повышение точности их измерения позволило заметно точнее измерять деформации плёнки при испарении с различными расходами жидкости и газа. Кроме того, на этой основе становится возможным обеспечить более высокую точность оценки теплопотерь при локальном нагреве плёнки жидкости и улучшить понимание роли температурного фактора в термокапиллярных деформациях.
Таким образом, актуальность исследования определяется необходимостью проведения систематических экспериментов как в лабораторных условиях, так и при параболических полётах. Естественно, что при этом необходимо использовать современную сертифицированную прецизионную аппаратуру, предназначенную в том числе и для подготовки экспериментов на борту Международной Космической Станции (МКС).
Цель исследования – определить деформацию и теплообмен при плёночном и ручейковом течении жидкости FC-72 в горизонтальном миниканале под действием потока азота на основе проведения систематических исследований с использованием современной высокоточной аппаратуры как в лаборатории, так и в параболических полётах на борту самолёта, максимально приближенных к условиям на борту МКС.
Научные задачи:
1. В условиях лабораторного эксперимента определить связь теплооб
мена и деформации плёнки и ручейка жидкости FC-72 при течении в горизон
тальном миниканале под действием потока азота при разных значениях пара
метров (расходы жидкости и газа, их начальная температура и температура
подложки) при локальном нагреве подложки миниканала с использованием
нагревательного элемента с различной формой поверхности.
2. В условиях параболических полётов на самолёте, приближенных к
космическим, определить роль ускорения в теплообмене и деформации плён-
1
ки и ручейка жидкости.
Научная новизна изложенных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
-
С использованием прибора KRUSS DSA-30 измерены краевые углы смачивания водой и жидкостью FC-72 зеркальной алюминиевой поверхности подложки миниканала. Установлено, что смачиваемость жидкостью FC-72 незначительно зависит от температуры подложки миниканала: при повышении на 30 С (с 10 до 40 С) значение статичного краевого угла смачивания отклоняется от среднего менее чем на 1 - с 11.38 до 12.25.
-
Проведена серия лабораторных экспериментов в диапазоне расходов жидкости Rel=1140, газа Reg=101900 и температуры жидкости, газа на входе в миниканал и его подложки 1040 С, обеспечившая построение карты пяти разновидностей плёночного течения в миниканале.
-
Экспериментально показано, что с ростом расхода жидкости и газа критический тепловой поток при локальном нагреве плёнки жидкости FC-72, текущей в миниканале под действием потока азота, возрастает. Установлено, что нанесение микрооребрения на поверхность нагревателя по потоку позволяет увеличить критический тепловый поток по сравнению с гладким нагревателем.
-
В диапазоне расходов жидкости Rel=1140 и газа Reg=101900 и изменчивости температуры жидкости / газа на входе в миниканал и на его подложке 1040 С в лабораторных условиях исследована деформация ручейка диэлектрической жидкости FC-72, в результате чего:
построена карта 11 разновидностей ручейкового течения;
фазовой шлирен-системой определён профиль (поперечное сечение) ручейка жидкости FC-72 для апробации известной численной модели.
5. В результате спланированной и выполненой серии экспериментов по
изучению теплообмена и деформации плёнки и ручейка жидкости FC-72 с
изменяемым ускорением в условиях круговых и параболических полётов на
самолёте (450 парабол в течение 12 дней) впервые измерен профиль ручейка
жидкости FC-72 сертифицированной и прецизионной фазовой шлирен-
системой для апробации известной численной модели.
Практическая значимость работы
Экспериментально полученные и обработанные с использованием новейших программно-алгоритмических средств результаты наблюдения систематизированы и представлены на картах пяти разновидностей деформации плёночного течения легко испаряющейся жидкости FC-72 и одиннадцати разновидностей её ручейкового течения. Построенные карты позволили заметно повысить эффективность применения полученных новых знаний при проведении экспериментальных исследований и сделать следующие выводы:
- нанесение микрооребрения на поверхность нагревающихся элементов уве
личивает критический тепловой поток до полутора раз;
- при создании системы охлаждения экономически выгодно учитывать, что с ростом ускорения плёночное и ручейковое течения жидкости стабилизируются (волнообразование уменьшается), что снижает расход дорогостоящей, как правило, жидкости при одном и том же расходе газа.
Для изучения расслоенного режима течения жидкости и газа модифицированы высокоскоростная и фазовая шлирен-системы, что позволило заметно повысить точность измерения. На этой основе удаётся выйти на качественно новый уровень понимания физики деформации плёнки жидкости FC-72 при течении в миниканале под действием потока газа. Экспериментально доказана перспективность использования недорогих материалов (азота, алюминия) при подготовке и проведении дорогостоящих экспериментов в Космосе, даны практические рекомендации по их проведению на борту Международной Космической Станции.
Достоверность полученных результатов обеспечена проведением представительной серии (более пятисот) лабораторных экспериментов и не менее представительной серии (около четырехсот пятидесяти) экспериментов в условиях параболических и круговых полётов с использованием сертифицированной калиброванной и поверенной аппаратуры и апробированных методик, получивших признание ведущих специалистов. При этом были использованы надёжные программные средства, обеспечившие требуемую точность и опирающиеся на известные формулы и законы теплофизики. Достоверность результатов проведённых экспериментов подтверждается также и гарантированными оценками величины погрешности измерений, поставлена серия специальных тестовых экспериментов, результаты которых сравнивались с известными из публикаций.
Автор защищает:
-
Результаты лабораторных экспериментов: установлено пять разновидностей деформации плёнки легкоиспаряющейся жидкости FC-72 при изотермическом течении в горизонтальном миниканале под действием потока газа азота в зависимости от расходов жидкости и газа, температуры жидкости, газа на входе в миниканал и подложки - термокапиллярной, гидродинамической природы и разрыв плёнки; построена карта разновидностей плёночного течения.
-
Результаты лабораторных экспериментов с локально нагреваемой плёнкой жидкости FC-72, показано, что: а) на гладком нагревателе жидкость течёт под действием потока азота при больших критических тепловых потоках, чем в стекающей плёнке жидкости; б) при микрооребрении нагревателя высотой 0.3 и 0.5 мм на нём наблюдается больший критический тепловой поток по сравнению с гладким в силу дополнительного орошения за счёт капиллярного эффекта.
3. Результаты лабораторных экспериментов, показано, что:
при повышении температуры подложки ширина ручейка уменьшается, термокапиллярная деформация на поверхности ручейка усиливается вследствие возрастания теплообмена;
при возрастании расхода азота при постоянном расходе жидкости и фиксированной температуре подложки ширина ручейка жидкости FC-72 закономерно уменьшается вследствие повышенного испарения жидкости с границы раздела жидкость-газ и увеличения скорости жидкости, а также наблюдается волнообразование на границе раздела жидкость-газ;
при увеличении расхода жидкости при фиксированном расходе газа и фиксированной температуре подложки ширина ручейка жидкости FC-72 закономерно увеличивается.
-
Результаты лабораторных экспериментов, построена карта 11 разновидностей деформации ручейка жидкости FC-72 при течении в условиях с разной температурой жидкости, газа на входе в миниканал и подложки.
-
Результы экспериментов во время параболических и круговых полётов на самолёте в рамках подготовки космического эксперимента “Heat Transfer” Европейского космического агентства в сотрудничестве с Российским космическим агентством, показано, что:
в условиях невесомости (0.01 go) плёнка жидкости FC-72 становится неустойчивой, а именно при любых расходах жидкости и газа наблюдается деформация в виде волн (дву- или трёхмерных) в отличие от полётов с нормальным ускорением (1.0go); ширина плёнки при этом уменьшается вследствие доминирования поверхностного натяжения и плёночное течение преобразуется в ручейковое;
из построенной карты устойчивого плёночного течения жидкости FC-72 (без разрывов в условиях с разными значениями ускорения) выявлен обеспечивающий такой режим диапазон расходов жидкости и газа (Rel > 44 и Reg > 150),
для поддержания такого течения в состоянии невесомости (0.01 go) требуются значительно большие расходы жидкости, чем при ускорении 1.0go и, тем более, повышенном ускорении 1.8go;
ширина ручейка жидкости FC-72 возрастает с увеличением ускорения при любых расходах жидкости, газа и температуры подложки, жидкости и газа на входе в миниканал;
в условиях невесомости (0.01 go) с увеличением расхода жидкости FC-72 ширина ручейка жидкости увеличивается;
в условиях невесомости (0.01 go) с увеличением расхода азота ручеёк жидкости FC-72 сужается вследствие доминирования силы поверхностного натяжения, и течение становится волновым;
при ускорении (0.01 go) при повышении начальной температуры с 10 до 40 С подложки, жидкости и газа на входе в миниканал уменьшение ширины ручейка, связанное с испарением, происходит по линейному закону
менее интенсивно, чем в условиях с нормальным или повышенным ускорением вследствие преобладания сил поверхностного натяжения.
Личный вклад. Лично автором создана экспериментальная установка с новым сертифицированным и прецизионным оборудованием, с шестью взаимозаменяемыми рабочими участками.
Автором лично проведены эксперименты, обработаны и проанализированы данные, а также проведена их систематизация и интерпретация, завершившиеся подготовкой публикаций по результатам исследования. Он лично принял участие в четырёх параболических компаниях Европейского космического агентства и совершил более 450 парабол.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались соискателем и получили одобрение специалистов на семи международных и отечественных конференциях: XIII Всеросийской школе-конференции с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики 2014» , Новосибирск, Россия; IV и VI Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-4,6) 2006, 2014 , Москва, Россия; ”ECI – 8th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer 2012” , Лозанна, Швейцария; на Международном симпозиуме по эффектам пониженного уровня гравитации “ELGRA symposium, 2011”, Антверпен, Бельгия; на Международной конференции “Multiflow conference”, Брюссель, Бельгия, 2010; на Международном рабочем семинаре “III International Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications, 2008, Брюссель, Бельгия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе из Перечня ВАК – пять (в журналах: Теплофизика высоких температур, Microgravity science and technology, Experimental Thermal and Fluid Science Теплофизика и аэромеханика).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, библиографического списка использованных источников из 161 наименования. Общий объем диссертации 234 страниц, в том числе 162 рисунка.
Экспериментальное и теоретическое исследования плёночного течения жидкости в изотермических условиях
Визуализация однофазного потока восходящего воздуха от горящей свечи выполнена Hooke [Hooke, 1665]. Шлирен-система для нахождения неоднородностей в оптических стёклах была усовершенствована в 1864 г. [Toepler, 1864]. С использованием усовершенствованной системы стало возможным наблюдение ударных волн, возникающих при электрическом разряде в воздухе [Krehl, Engemann, 1995] (рис.1.12), и тогда при повторении экспериментов, сделанных Toepler [Toepler, 1864], были получены более точные данные о неоднородностях в газе после электрического пробоя. Для исследования двухфазных потоков специалистами используется классическая методика оптической визуализации неоднородностей в однофазных средах и потоках.
Совместным использованием шлирен-системы и принципов интерферометрии, при котором вместо обычного фильтра-ножа в этой системе функционирует специальный фильтр с переменной пропускной способностью, L. Joannes с соавторами показали, что фаза пропускной способности меняется, затем после отражения производится обработка полученного сигнала, после чего профиль деформации восстанавливается [Joannes, Dubois, Legros, 2003]. Пример реконструкции формы мениска силиконового масла представлен на рис. 1.13. Прибором на основе интерференции измерена толщина плёнки дистиллированной воды, стекающей по поверхности трубки, сделанной из химически стойкого стекла Pyrex [Nozhat, 1997]. Деформация тонкой плёнки вследствие конденсации н-бутанола на кварцевой поверхности исследовалась S. J. Gokhale с коллегами методом интерферометрии [Gokhale, Plawsky, Wayner, 2003]. Экспериментально показано, что с ростом расхода конденсата краевой угол увеличивается, а с ростом испарения краевой угол уменьшается, что говорит о взаимосвязи между процессами конденсации/испарения и движением контактной линии смачивания.
Толщина плёнки любой жидкости может быть измерена другим оптическим способом – с использованием оптоволоконного датчика. Эксперимент, в котором измерена толщина плёнки жидкости при помощи многоволоконного датчика, описан в работе [Ohba and Origuchi, 1986]. Возможность измерения очень тонких плёнок жидкостей (жидкого азота) при помощи одно- и многоволоконных оптических датчиков, заделанных в подложку, по которой течёт слой жидкости, показана А. Р. Евсеевым [Evseev, 1997]. Термокапиллярные деформации плёнки 10% раствора этилового спирта в воде, гравитационно стекающего, измерены при помощи оптоволоконного датчика [Zaitsev, Kabov, Evseev, 2003] (рис.1.14). В этих экспериментах оптоволокно помещалось над локально нагреваемой плёнкой жидкости, стекающей по вертикальной пластине.
Зависимость высоты термокапиллярного вала гравитационно стекающей плёнки 10% раствора этилового спирта в воде от положения относительно нагревателя. Оптоволокно находится над локально нагреваемой плёнкой жидкости (жирная линия внизу графика - нагреватель) 1 - деформация плёнки жидкости до регулярных “структур”, q=2.51 Вт/см2, 2 деформация плёнки жидкости на начало регулярных “структур” q=2.63 Вт/см2, 3 результаты, взятые из тезисов конференции [Measurement of free surface…, 2000; Zaitsev, O.A. Kabov, A.R. Evseev, 2003] Другой оптический метод для наблюдения деформации и измерения толщины плёнки воды и водно–глицеринового раствора - LIF (Laser Induced Fluorescence), описанный G. F. Hewitt с коллегами в работе [Hewitt, Lovegrove, Nicholls, 1964] и J. Liu с коллегами [Liu, Paul, Gollub., 1993; Liu, Schneider, Gollub 1995], основан на измерении интенсивности света, испускаемого флюоресцентным веществом, растворённым в воде. Интенсивность света при этом есть функция двух параметров: толщины слоя и концентрации флюоресцентного вещества. Метод хорошо применим при отсутствии испарения, из-за которого концентрация флюоресцентного вещества меняется. Этим методом С. В. Алексеенко с коллегами восстанавливают разновидность деформации стекающей плёнки раствора спирта в воде - солитонообразные волны [Three-dimensional solitary waves…, 2005] (рис. 1.15). Полученные LIF-методом экспериментальные данные использованы для построения карт режимов течения двухфазного потока воды и воздуха в микро- и миниканалах [Чиннов и Кабов, 2011]. Толщина локально нагреваемой стекающей плёнки воды с термокапиллярными деформациями в условиях слабого испарения измерена этим методом [Чиннов, 2009].
Бесконтактный оптический метод – термография - широко используется в теплофизическом эксперименте для измерения температуры с помощью инфракрасной камеры (ИК). Пример реконструкции температуры стекающей плёнки воды представлен на термограмме (рис. 1.16) [Kabov, Marchuk, Chupin., 1996].
Для измерения толщины плёнки жидкости может быть использован неоптический метод измерения – емкостной метод. Он основан на измерении электрической ёмкости между двумя электродами, расположенными по разные стороны канала, по которому течёт двухфазный поток. Электрическая ёмкость изменяется с изменением процентного содержания жидкости в зазоре [Dukler and Berglin, 1952]. Этот метод опробован при измерении толщины стекающих плёнок воды и 25% раствора спирта в воде [Chinnov and Kabov, 2007]. В настоящее время емкостной метод реализован в электроемкостной томографии [Zhang and Wang, 2010]. Авторам удалось полностью реконструировать распределение масла в цилиндрической трубе для простых видов течения: кольцевого, расслоенного, течения струи жидкости в центре трубы, а газа вокруг струи, движения только одной фазы внутри трубы.
Система поддержания заданного давления в рабочем участке и рекуперационная система
Создание разного рода структур на нагревающейся поверхности также приводит к улучшению теплообмена, а именно за счёт улучшения смачиваемости рабочей поверхности [Kim, Park, Kang, 2003]. Анализ роли разных структур на нагревающейся поверхности на стабильность плёночного течения воды показывает, что их использование является хорошей альтернативой более сложным факторам стабилизации (газовому потоку, электрическому полю и т.д.) [Tiwari and Davis, 2010].
Использование течения плёнки жидкости в системе охлаждения, по прогнозу A. Bar-Cohen представляет собой многообещающее решение [Gas-assisted evaporative…, 1995]. Корреляция коэффициента теплоотдачи при разных режимах течения экспериментально исследована, подобраны коррелирующие зависимости с точностью 30 % [Comparison of 20 Two-Phase..., 1999].
Построенное поле температур в нагреваемой горизонтальной трубке с кольцевым режимом течения изучено Zimmerman с соавторами. С помощью инфракрасной камеры установлено, что в верхней части трубки, где толщина плёнки жидкости меньше (так как стекает оттуда под действием силы тяжести), коэффициент теплоотдачи превышает коэффициент теплоотдачи в нижней части в три раза [Heat Transfer to Air-Water..., 2006]. Позднее подобные эксперименты проводятся для большего числа смесей (вода-воздух, вода-гелий, вода-фреон 12) при течении в слабо наклонённых трубах [Ghajar and Tang, 2010]. Было показано, что спрогнозированный коэффициент теплоотдачи отличается от измеренного не более чем на 25% для разных режимов течений.
Результаты экспериментов по разрыву при неравномерном нагреве неподвижного горизонтального слоя этанола толщиной 0.85-1.3 мм представлены в работе [Orell, Bankoff, 1971], а слоя силиконового масла толщиной 0.13-1.68 мм в работе [Burelbach, Bankoff, Davis, 1990]. Показано, что причиной разрыва являются конвекционная неустойчивость (конвекция Бинара) и действие термокапиллярных сил. Разрыв локально нагреваемой плёнки жидкости на горизонтальной и слабонаклонённой поверхности исследуется Д. В. Зайцевым и О. А. Кабовым. Экспериментально показано, что разрыв плёнки воды происходит в два этапа: после разрыва плёнки на нагревательном элементе наблюдается остаточная плёнка толщиной существенно меньшей, чем начальная плёнка. Затем происходит разрыв остаточной плёнки жидкости и поверхность осушается полностью [Zaitsev and Kabov, 2007].
Экспериментальное исследование роли волнообразования в теплообмене при режиме расслоенного течения воды и воздуха в канале показывает, что двумерные волны слабо влияют на теплообмен, но при образовании трёхмерных и катящихся волн коэффициент теплоотдачи возрастает в два раза и более [Frisk and Davis, 1972].
О. А. Кабовым показано, что стекающей плёнкой воды снимается тепловой поток 100 Вт/см2, а стекающей плёнкой FC-72 - 10 Вт/см2 [Кабов, 2006]. В то время как в плёнке жидкости, движущейся под действием потока газа, критический тепловой поток превышает в три раза критический тепловой поток в стекающей плёнке жидкости для тех же параметров эксперимента [Locally heated shear-driven..., 2007].
Результаты исследования теплообмена в ручейке воды, гравитационно стекающем по наклонной алюминиевой пластине, применительно к солнечным коллекторам представлены в работе [Study of the Heat Transfer…, 1997] и показано влияние режима течения на теплообмен, а также выбраны оптимальные расходы жидкости. Приведены рекомендации по оптимальному, с точки зрения теплообмена, расходу жидкости (от 10 до 15 мл/с). В работе [Kuznetsov, Safonov, 2005] на примере испарения ривулета в канале (жидкость – фреон R11), среда – собственный пар, показано, что перенос тепла в окрестности линии смачивания вызывает стягивание ривулета на нагретой стенке и установление теплового контактного угла. Установлена зависимость величины теплового контактного угла от температурного напора (разности температуры жидкости и подложки). Также численно решалась задача об испарении ривулета на вертикальной стенке с заданной температурой.
Стоит заметить, что известны другие системы охлаждения элементов с высоким тепловыделением, например, при помощи спрэев, когда поток направляется на нагревающийся элемент, в результате на его поверхности образуется плёнка жидкости, которая частично или полностью смачивает её. Теплообмен и деформация в этом случае определяются несколькими факторами: инерцией летящих капель, поверхностным натяжением, значением ускорения, смачиваемостью, геометрией рабочей поверхности и испаряемостью жидкости [Gravity effect on spray..., 2007; Breakup and atomization of a stretching..., 2007].
Двумерное численное моделирование испарения локально нагреваемой плёнки воды, FC-72, движущихся под действием потока газа (азота или воздуха) в миниканале, выполнено Е. Я. Гатаповой и О. А. Кабовым [Gatapova and Kabov, 2008]. Установлено, что охлаждающее воздействие плёнки жидкости, движущейся под действием потока газа, эффективнее охлаждающего воздействия гравитационно стекающей плёнки жидкости. Сравнительным анализом расчётных данных с экспериментальными данными по измерению поля температур с помощью ИК-сканера показано удовлетворительное их совпадение.
Трёхмерная нестационарная модель течения локально нагреваемой плёнки жидкости (25% раствор этилового спирта в воде) под действием потока газа в наземных условиях и в условиях невесомости представлена в работе [Kabova, Kuznetsov, Kabov, 2008], где доказано, что плёнка жидкости деформируется под действием силы Марангони. Применение разного структурирования нагревающихся элементов при неизотермическом течении рассматривается в работе [Marangoni-induced deformation and rupture..., 2006].
В. С. Ажаевым с соавторами показано, что плёнка любой жидкости при изотермическом течении становится более неустойчивой на наноструктурированной поверхности из-за расклинивающего давления, вызванного силой Ван-дер-Вальса [Ajaev, Gatapova, Kabov, 2012]. Однако остаётся нерешённым вопрос о влиянии размера микро- и наноструктур на интенсивность теплообмена.
Численное и экспериментальное исследование теплообмена в стекающем ручейке хладагента R21 показало наличие повышенного испарения в области тонкой плёнки из-за чего происходит изменение границы раздела жидкость-паровая фаза [Kuznetsov, Safonov, 2005]. Численное исследование теплообмена при течении нескольких ручейков воды, стекающих по структурированной поверхности под действием силы тяжести, капиллярных и термокапиллярных сил, показывает, что при увеличении температуры подложки течение становится неустойчивым и каждый ручеёк может разбиваться на два, а то и на капли [Gambaryan-Roisman and Stephan, 2009].
Определение краевого угла смачивания подложки миниканала жидкостью FC-72 методами лежащей капли и газового пузырька
Экспериментальное исследование деформации плёнки жидкости FC-72 при изотермическом плёночном течении в горизонтальном миниканале под действием потока газа азота осуществляется при следующих условиях: - минканал: длиной 120 мм, шириной 40 мм, высотой 1.5 мм; - подложка из нержавеющей стали с зеркальным алюминиевым покрытием; - температура подложки постоянная регулируемая от 10 до 40 С; - расход жидкости FC-72 задаётся в диапазоне 5 – 35 чисел Рейнольдса; - расход газа азота задаётся в диапазоне 10 – 1000 чисел Рейнольдса; - температура жидкости FC-72 и газа азота на входе в участок задаётся и контролируется такой же, как и подложка миниканала, - 10-40 С; - термопары К-типа установлены в рабочий участок для измерения температуры подложки; - измерение и сбор показаний со всех датчиков осуществляется с помощью системы сбора данных на базе прибора Agilent; - исследование осуществляется с помощью высокочувствительной фазовой шлирен-системы.
Описание эксперимента. В миниканал рабочего участка газ азот подаётся из баллона при давлении 200 атм с помощью регулятора расхода Bronkhorst через теплообменник по газу со встроенными Пельтье-элементами. Жидкость FC-72 подаётся в миниканал рабочего участка из сосуда с помощью шприцевого насоса через теплообменник по жидкости со встроенными Пельтье-эллементами. Расслоенное течение плёнки жидкости в горизонтальном миниканале под действием потока газа азота наблюдается с помощью высокочувствительной фазовой шлирен-системы. Из рабочего участка двухфазная смесь эвакуируется с помощью вакуумного насоса через регулятор давления Bronkhorst. При изменении расходов жидкости/газа наблюдаются разные виды деформации плёнки жидкости, которые фиксируются фазовой шлирен-системой.
При тестовых экспериментах с заданной температурой всей подложки, жидкости и газа на входе в рабочий участок 5 С и малых расходах жидкости и газа (Rel 10, Reg 100) деформация отсутствует. Наблюдения с помощью фазовой шлирен-системы показывают, что во всём диапазоне расходов жидкости и газа при заданной температуре 20 С плёнка жидкости всегда деформируется. Высокочувствительной фазовой шлирен-системой, зафиксированы следующие разновидности деформации плёнки жидкости FC-72 при изотермическом течении в горизонтальном миниканале под действием потока газа азота:
1. При самых малых расходах жидкости и газа в диапазоне Reg=1 - 100 и Rel=5 – 10 наблюдается термокапиллярная деформация плёнки жидкости в виде ряби: размеры структур вдоль и поперёк одинаковы и составляют несколько миллиметров, вызванных, по-видимому, испарением легкокипящей жидкости FC-72.
2. Термокапиллярная деформация в виде продольных структур-жгутиков в диапазоне Reg=20 - 400 и Rel=5 – 20: трансформация ряби при увеличении расхода жидкости и газа, структуры вытягиваются по потоку, их ширина несколько миллиметров, протяжённость несколько сантиметров; вызванных, по-видимому, испарением жидкости FC-72. Термокапиллярная природа этой неустойчивости подтверждается результатами численных расчётов [Bekezhanova, Kabov, 2009; Bekezhanova, Kabov, 2010].
3. При последующем увеличении расхода жидкости и газа в диапазоне Reg=50 - 800 и Rel=12 – 32 возникает сложная деформация гидродинамической природы - 2D волны в перпендикулярном к течению направлении, одновременно с термокапиллярной деформацией в виде жгутиков вдоль потока, вызванных, по-видимому, испарением жидкости; занимает всю ширину канала
4. При дальнейшем увеличении расходов жидкости и газа в диапазоне Reg 650 и Rei=15-35 наблюдается сложная деформация гидродинамической природы - 3D волны - в перпендикулярном к течению направлении с шириной отдельно взятой волны, в несколько раз меньшей ширины миниканала, одновременно с термокапиллярной деформацией по потоку в виде жгутиков.
5. Разрыв - сложная деформация в виде сухого пятна, которая возможна при всех вышеописанных деформациях, наблюдается при всех расходах газа при недостаточном расходе жидкости для того, чтобы смочить всю поверхность миниканала.
По результатам наблюдения изотермического течения построены графики зависимостей вида деформации от расходов жидкости в диапазоне Rei = 5 + 35 и газа (приведённых скоростей жидкости и газа) Reg = 10 + 1000 при заданной температуре жидкости, газа на входе в миниканал и подложки 20 С (рис. 3.17). Для этих условий построена карта пяти разновидностей деформации плёнки жидкости FC-72 при изотермическом течении в миниканале под действием потока газа азота для выбора оптимальных расходов жидкости и газа при проектировании системы охлаждения. При построении карты используются следующие расчёты: число Рейнольдса определяется по толщине плёнки по формуле Rei= Q/( a), где Q - объёмный расход жидкости (м3/с), а - ширина миниканала (м), - кинематическая вязкость (м2/с); приведённые скорости рассчитываются по формуле Us= Q/(a b), где Q - объёмный расход жидкости (м3/с), b - его высота. При малых расходах жидкости и газа в диапазоне Reg=l - 100 и Rei=5 - 10 на плёнке жидкости наблюдается малая деформация в виде ряби. При плавном увеличении расхода газа деформация в виде ряби вытягивается по потоку и трансформируются в жгутики. Проведённые эксперименты по определению роли основных параметров течения (температуры жидкости, газа на входе в миниканал и подложки, расходов жидкости и газа) в возникновении деформации в виде ряби и продольных деформаций (жгутиков) показывают, что она, по-видимому, вызвана термокапиллярными силами, вследствие испарения легкокипящей жидкости FC-72.
При определённых расходах жидкости и газа (газа - от 50 до 800, жидкости - от 12 до 35 чисел Рейнольдса) появляются сложные деформации в виде двумерных волн (2D волны) в сочетании со жгутиками, а при дальнейшем увеличении расхода газа (Reg 700) они трансформируются в трёхмерные волны (3D волны) в сочетании со жгутиками.
Измерения, полученные с помощью программного обеспечения на базе пакета Matlab, показывают, что при одном и том же расходе жидкости (Rel=8), но увеличении расхода газа в диапазоне от 60 до 300 чисел Рейнольдса ширина продольной деформации при температуре подложки 10 C уменьшается с 1.48 до 0.98 мм, а при температуре подложки 20 C уменьшается с 1.75 до 1.12 мм (рис. 3.18). На графике (рис. 3.19) показана зависимость ширины жгутиков от расхода жидкости и температуры подложки при фиксированном расходе газа 150 числа Рейнольдса: она существенно увеличивается с увеличением расхода жидкости и температуры подложки, а затем стабилизируется. Например, для температуры подложки 10 C вначале она увеличивается с 1.03 до 1.51 мм, а затем стабилизируется на среднем значении 1.39 мм с ростом расхода жидкости от 6 до 20 чисел Рейнольдса, что важно при сопоставлении и верификации численной модели и для подтверждения вывода о термокапиллярной природе данной неустойчивости.
Разрыв плёнки жидкости, т.е. образование устойчивого сухого пятна, наступает при всех расходах газа и недостаточном расходе жидкости, чтобы оросить всю подложку миниканала при заданной температуре 20 С. Чем выше температура подложки (с 10 до 20, 30 и 40 С), тем разрыв плёнки жидкости происходит при больших расходах жидкости из-за усиления испарения легкокипящей жидкости FC-72 (рис. 3.20).
Выбор жидкости по физическим свойствам (по теплоте парообразования, поверхностному натяжению)
Ускорение по оси х во время манёвра больше нуля, а после манёвра меньше нуля (рис. 4.5б). Это вызвано тем, что до манёвра парабола двигатели работают на полную мощность для разгона самолёта, непосредственно перед манёвром пилот убавляет мощность двигателей до минимума, необходимого для компенсации силы трения. Сразу после манёвра двигатели начинают работать на полную мощность, но вначале наблюдается отрицательное ускорение по оси х из-за трения самолёта о воздух. Флуктуация ускорения при невесомости (0.01g0) рассмотрена на (рис. 4.5б). Наибольшие остаточные флуктуации ускорения наблюдаются по оси z в диапазоне от минус 0.03 до плюс 0.03 м/с2. Флуктуации по оси y вызваны эффектами, связанными с движением воздуха в атмосфере. Причина, по которой проекция ускорения на ось х отлична от нуля, указана выше.
При экспериментах по исследованию теплообмена и деформации плёнки и ручейка жидкости FC-72 при течении в горизонтальном миниканале под действием газа азота важно понять степень влияния ускорения на эти процессы. Эксперименты во время параболических полётов проводятся при нормальном ускорении 1.0g0, повышенном 1.8g0 и невесомости 0.01 g0. Как видно на рис. 4.5a, ускорение при повышенном значении неустойчиво, в первые 20 с меняется от значения 1.78 до 1.43 м/с2, а через 6 с, после того как закончилось фаза с невесомостью, возрастает от 1.47 до 1.71 м/с2 в течение 8 с и затем падает до 1.0g0 в течение 15 с.
В 2010 г. Международным космическим агентством с участием соискателя проведена серия экспериментов (круговые полёты, манёвр поворот) при повышенных значениях ускорения: 1.2, 1.4, 1.6, 1.8go. Через проекции ускорения на оси показано изменение ускорения во времени рис. 4.6. Отклонение от среднего значения по осям x и y не превышает 5%, а в направлении z не превышает 6%. При этом действуют следующие силы: сила тяжести, сила трения о воздух, которая скомпенсирована силой тяги двигателей, подъёмная сила и центростремительная сила.
Для исследования теплообмена и деформации плёнки и ручейка жидкости FC-72 при течении в миниканале под действием потока газа азота в условиях параболических полётов (манёвра парабола) в состоянии невесомости значение остаточного ускорения удовлетворительно - 0.01go. Для проведения эксперимента при повышенном значении ускорения (от 1.2 до 1.8 go) параболический полёт не удовлетворяет условию постоянства уровня ускорения, которое значительно меняется на протяжении 20 с – от 1.3 до 1.8 go, для этого самолёт выполняет манёвр “поворот”, при котором отклонение от среднего значения не превышает 5%.
Одним из важных этапов подготовки экспериментов в условиях параболических полётов является выбор жидкости по физическим свойствам для исследования теплообмена и деформации в условиях невесомости. Из публикаций известно, что исследования на борту космических аппаратов проводились с использованием таких жидкостей, как вода, легкокипящая жидкость FC-72 и этиловый спирт. Ниже представлен сравнительный анализ указанных жидкостей по физическим свойствам (теплоёмкости, теплоте парообразования, поверхностному натяжению) и определена возможность их использования в условиях невесомости.
Этиловый спирт занимает промежуточное положение по физическим свойствам, но из-за опасности воспламенения руководством Европейского космического агентства в качестве рабочей жидкости его использование запрещено.
При подготовке к эксперименту в условиях невесомости рассматриваются физические свойства воды и флюоринерта FC-72 (табл. 4.1) и в зависимости от этого выбирается материал, из которого создаются рабочие участки, особенности конструкции экспериментальных участков, сенсоры давления и температуры, форма рёбер в конденсаторе жидкости.
Известно, что из названных жидкостей вода обладает наибольшим поверхностным натяжением (0.072 Н/м при 20 С), которое является важным параметром в теплообмене при расслоенном течении двухфазного потока. В то же время вода обладает наибольшей теплотой парообразования (2300 кДж/кг), что затрудняет её использование, так как существуют ограничения по величине рассеиваемой теплоты на борту Международной космической станции (МКС), выделившейся при конденсации испарившейся жидкости. Жидкость FC-72, в отличие от воды, обладает наименьшей теплотой парообразования (88000 Дж/кг) и наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения (0.01 Н/м), а значит зависимость процесса конденсации в конденсаторе от этих свойств наименьшая.
Ограничение на использование тех или иных жидкостей определяется максимальной охлаждающей мощностью установленного на борту Международной космической станции оборудования и температурой насыщения в конденсаторе 0 – 13 С (чёрные пунктирные линии на рис. 4.7). Рассчитанные величины мощности конденсатора для конкретной его температуры для указанных жидкостей также представлены на рис. 4.7 [Glushchuk, 2010].
В эксперименте допустимыми являются те параметры, которые лежат ниже чёрной штрихпунктирной линии, показывающей ограничение по мощности, и левее чёрной пунктирной линии, показывающей ограничение по температуре. На графике (рис. 4.7) видно, что для воды допустимый температурный диапазон эксплуатации составляет 80-100 C. Это обстоятельство затрудняет её использование на борту станции из-за ограничения по безопасности. Для этилового спирта допустимый диапазон температур 50-60 C, но из-за высокой степени воспламеняемости эта жидкость не может быть использована. Для жидкости FC-72 допустимый температурный диапазон 13-56 C. Анализ показывает, что для проведения экспериментов на борту самолёта и Международной космической станции по физическим свойствам в качестве рабочей подходит жидкость FC-72.