Тема: ИСПАРЕНИЕ КАПЛИ ВОДЫ С ШЕРОХОВАТЫХ НАГРЕТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СПЛАВОВ

Актуальность. Развитие электроники связано с постоянно увеличивающимися требованиями повышения удельной мощности электронных устройств, расширения температурного диапазона их работы и уменьшения габаритов [1]. Увеличение энергонасыщенности электронного оборудования инициирует интенсивные локальные тепловыделения (плотность теплового потока может достигать 1000 Вт/см2 и выше [2]) и возникновение термических напряжений, как правило, с нестационарным пространственным распределением [1]. Применение традиционных технологий охлаждения для конкретных изделий или их элементов в системах обеспечения тепловых режимов современного энергонасыщенного оборудования (например, воздушное охлаждение) во многих случаях не может обеспечить достаточно эффективный отвод тепла [3,4]. Плотность отводимого с помощью воздушного охлаждения теплового потока составляет не более 35 Вт/см2 [2]. Возникает объективная необходимость высокой интенсивности отвода тепла от локально теплонагруженных участков оборудования, температура которых в определенных условиях работы может подниматься выше предельно допустимых.
Достижение регламентного температурного режима энергонасыщенного оборудования возможно с использованием двухфазных иммерсионных (погружных) систем жидкостного охлаждения [5]. В таких системах вычислительное оборудование работает в резервуарах с охлаждающей жидкостью. Погружная система жидкостного охлаждения используется для отвода тепла от теплонагруженных участков «майнинг ферм» [5] и центров обработки данных [5]. Активно развиваются технологии непрямого жидкостного охлаждения: тепловые трубки, микро- и миниканалы [3], испарительные камеры [1,6,7]. Перспективной технологией охлаждения является и подача охлаждающей жидкости на теплонагруженный участок энергонасыщенного оборудования (прямое жидкостное охлаждение) [3]. В эту группу входят технологии охлаждения, в которых жидкость подается на разогретую поверхность в виде капель или струй [3]. Например, при использовании спреевого охлаждения плотность отводимого теплового потока может достигать 1200 Вт/см2 [2]. В основе указанных выше технологий охлаждения лежит принцип наиболее эффективного применения тепловых эффектов фазовых переходов (типа «Вода-Пар»).
Степень разработанности темы исследования. Перед вводом в эксплуатацию теплообменного оборудования поверхности его деталей обрабатывают определенными в нормативных документах способами для улучшения их эксплуатационных характеристик. После обработки поверхностей деталей элементов конструкций различными способами характеристики процессов смачивания, растекания и испарения капель жидкостей с таких поверхностей могут существенно изменяться [8]. Исследования процессов, происходящих на поверхностях отдельных элементов энергонасыщенного оборудования, с каждым годом становится все более и более актуальными, в связи с расширением номенклатуры изделий, в которых могут использоваться системы капельного охлаждения. Значительным вкладом в развитие теории смачивания, растекания и испарения капель жидкостей с обработанных различными способами поверхностей подложек являются результаты исследований О. А. Кабова, Е. Я. Гатаповой, С. Я. Мисюры, Л. Ю. Бараша, Д.В. Феоктистова, Е.Г. Орловой, А.Г. Исламовой и др. В зарубежных научных лабораториях исследования описанного выше процесса проводятся под руководством Д. Брутина (Франция), Д. Бонна (Нидерланды), Ф. Дуанна (Сингапур), Б. Собака (Бельгия), С. Семенова (Великобритания), В. Старова (Великобритания) и др. Но для разработки теории, позволяющей проводить прогностическую оценку интенсивности процесса охлаждения локально теплонагруженных участков оборудования каплями жидкостей, необходимо получить экспериментальные данные, иллюстрирующие возможность эффективного использования одиночных капель жидкости для охлаждения локальных участков поверхности деталей или элементов конструкции энергонасыщенного оборудования.
Целью работы является установление в результате экспериментального исследования и математического моделирования возможности управления процессом охлаждения локальных участков нагретых поверхностей элементов конструкции энергонасыщенного оборудования специальной обработкой этих участков и последующем осаждением на эти участки капель испаряющихся при нагреве жидкостей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установление режимов испарения капель воды с шероховатых нагретых поверхностей подложек.
2. Разработка автономной замкнутой математической модели процесса теплопереноса в испаряющейся с нагретой поверхности подложки капле жидкости.
3. Определение по результатам экспериментального исследования и математического моделирования скоростей испарения и температур капель воды при их испарении с нагретой поверхности подложки.
4. Установление влияния наночастиц в капле воды на характеристики ее испарения с поверхностей подложек.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы теневой оптический метод применялся для определения характеристик процесса испарения капель воды с обработанных различными способами поверхностей подложек из алюминиево-магниевого сплава. Геометрические характеристики лежащей на поверхности подложки капли воды (контактный угол, контактный диаметр, объем) определялись методами гониометрии по полученным теневым изображениям. Характеристики шероховатости поверхностей подложек определены с помощью контактного профилометра. Микроструктура и химический состав приповерхностных слоев подложек исследованы методами электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии. Численное исследование процесса испарения капли жидкости с поверхности подложки выполнено при решении задач теплопроводности и диффузии с использованием программного комплекса MATLAB. Системы нелинейных уравнений математической физики с нелинейными граничными условиями решались с использованием метода конечных разностей. Подробное описание методик экспериментальных исследований, методов, использованных при проведении экспериментов, а также методов решения уравнений теплопроводности и диффузии представлено в главах 2 и 4.
Научная новизна работы. Новизна результатов заключается в обосновании возможности управления процессом охлаждения локальных участков нагретых поверхностей энергонасыщенного оборудования при испарении капель воды в результате изменения шероховатости поверхности алюминиево-магниевого сплава. Установлены режимы испарения, вычислены скорости испарения и установлены температуры испаряющихся с шероховатых нагретых поверхностей подложек капель воды. Сформулирована автономная замкнутая математическая модель, в которой локальные скорости испарения капли жидкости с поверхности твердого тела рассчитывались в явном виде с использованием математического выражения закона Герца-Кнудсена. Установлено влияние наночастиц полистирола в капле воды на выполнение условия ее нерастекания по поверхностям подложек из алюминиево-магниевого сплава.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в обосновании возможности управления процессом испарения капель жидкостей в результате изменения шероховатости поверхности алюминиево-магниевого сплава различными способами. Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов для разработки рекомендаций к нормативным методам расчета систем капельного охлаждения энергонасыщенного оборудования (электронной и радиоэлектронной техники, средств связи и управления, электронно-вычислительной техники).
Степень достоверности результатов проведенных исследований
Достоверность полученных результатов обусловлена применением современных средств измерений, методов анализа и обработки опытных данных. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных проводилась по результатам расчетов погрешностей измерений регистрируемых физических величин. С целью обоснования достоверности результатов математического моделирования проведен сравнительный анализ с полученными в настоящей работе результатами экспериментов. Также проводилось сравнение полученных результатов с теоретическими следствиями и экспериментальными данными авторов, полученных ими для других материалов, жидкостей и температур нагрева.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационное исследование выполнено в рамках проектов РФФИ Аспиранты № 20-38-90027 «Процессы смачивания и испарения капель жидкостей с полированных и обработанных лазерными импульсами поверхностей алюминиевого сплава» и РФФИ мол_нр № 19-38-50098 «Испарение капель в условиях постоянных и циклически меняющихся давлений и температур в изолированной камере».
Положения, выносимые на защиту:
1. При обработке поверхности подложки из алюминиевого сплава шлифовальной машиной, шлифовально-полировальными дисками и лазерным излучением выполняется условие нерастекания капли воды - более 90 % времени своего существования капли воды испаряются в режиме постоянного контактного диаметра (пиннинга контактной линии).
2. После добавления полистирольных частиц с характерными размерами 50
нм, 100 нм или 1000 нм в дистиллированную воду условие нерастекания капли воды с частицами объемной концентрацией 0,025 % выполняется как на
шероховатых, так и на относительно гладких поверхностях подложек из алюминиевого сплава.
3. Математическая модель теплопереноса в испаряющейся с поверхности твердого тела капле, в которой локальные скорости испарения рассчитывались в явном виде с использованием математического выражения закона Г ерца-Кнудсена.
4. Температуры испаряющейся капли жидкости в течение достаточно длительного времени (более 90 % времени существования капли) могут быть существенно ниже (на 10-15 %) температуры нагретой поверхности подложки.
5. Перепад температур по угловой координате испаряющейся с нагретой от 313 К до 343 К поверхности подложки капли воды может достигать 35 К. Последнее приводит к существенному снижению (более чем в 10 раз) локальных скоростей испарения капли охлаждающей жидкости при увеличении угловой координаты от Ф = 0° (контактная линия) до ф = 90° (точка, соответствующая максимальной толщине капли).
Личный вклад автора состоит в совместной с руководителем постановке цели и задач; выборе методик экспериментальных исследований характеристик процесса испарения капель жидкостей с шероховатых поверхностей подложек; постановке и планировании экспериментов; проведении экспериментов; обработке полученных результатов; оценке систематических и случайных погрешностей; анализе и обобщении результатов исследований; получении зависимостей скоростей испарения капель воды от температуры поверхности подложки; установлении режимов испарения капель воды на специально обработанных шероховатых поверхностях подложек; формулировке математической модели процесса теплопереноса в капле; разработке метода решения; установлении температур испаряющейся с поверхности подложки капли; формулировке основных защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической
гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2020 гг.), Международная молодежная
научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2022 гг.), Седьмая российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 2018 г.), 14th International Forum on Strategic Technology (Томск, 2019 г.), Международная молодежная научная конференция «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2019 и 2020 гг.), III международная
конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2020 г.), Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения - 2022. Энергетика и цифровая трансформация» (Казань, 2022 г.).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации изложены в 6 работах, из них 3 статьи в высокорейтинговых изданиях, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus» («Journal of Materials Science», «Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects», «Surface and Coatings Technology»), 3 статьи в рецензируемых изданиях,
рекомендованных ВАК при Минобрнауки России для опубликования основных результатов кандидатских и докторских диссертаций («Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика», «Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 120 страницах, содержит 35 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 145 источников.
Краткое содержание работы:
Во введении обоснована актуальность работы; проведен анализ степени разработанности темы исследования; сформулированы цель, задачи; отражены научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы ; описаны методы исследования; приведены положения, выносимые на защиту; обоснована достоверность результатов экспериментальных и теоретических исследований; приведены сведения об апробации работы.
В первой главе выполнен анализ современного состояния и перспектив развития экспериментальных и теоретических исследований в области интенсификации процесса испарения капель жидкостей с поверхностей твердых тел с различной шероховатостью. На основании обобщения результатов достаточно многочисленных теоретических исследований сделан вывод о том, что основными недостатками известных математических моделей процесса испарения капель жидкостей является использование эмпирических выражений с несколькими постоянными, определяемыми по результатам экспериментальных исследований, для расчета локальных скоростей испарения. Сделан вывод о том, что до настоящего времени не установлены функциональные связи между способами обработки поверхностей металлов и сплавов и характеристиками процесса испарения капель жидкостей.
Во второй главе для установления характеристик процесса испарения (скорости и режимы испарения) капель воды с относительно гладких и шероховатых поверхностей подложек использована теневая методика. На основании анализа информации о температурных режимах типичных электронных устройств во время их работы выбраны температуры (323-343 К) до которых будет нагреваться подложка. Для исследования процесса испарения капель воды с частицами с относительно гладких и шероховатых поверхностей подложек выбраны полистирольные частицы с характерными размерами 50 нм, 100 нм и 1000 нм.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований основных характеристик процесса испарения капель воды с шероховатых нагретых поверхностей алюминиево-магниевого сплава (режимы и скорости испарения). Установлено, что при обработке поверхности подложки из алюминиевого сплава шлифовальной машиной, шлифовально-полировальными дисками и лазерным излучением выполняется условие нерастекания капли воды - более 90% времени своего существования капли воды испарялись в режиме постоянного контактного диаметра (пиннинг контактной линии). На обработанной галтовкой относительно гладкой поверхности подложки выделены три режима испарения капель воды: постоянного контактного диаметра (контактная линия капли неподвижна, контактный угол уменьшается); постоянного контактного угла (контактный диаметр уменьшается) и смешанный (контактный диаметр и контактный угол уменьшаются). Установлено, что при испарении капель воды с полистирольными частицами концентрацией 0,025 % с поверхностей исследуемых подложек образовывались твердые осадки в виде колец. На сатинированной и обработанных лазерным излучением поверхностях подложек образуются вытянутые параллельно вектору движения луча лазера или полировального инструмента твердые осадки. Увеличение концентрации относительно крупных полистирольных частиц диаметром 1000 нм даже до 0,3 % привело к изменению вида твердого осадка только на обработанной лазерным излучением с шагом 50 мкм гидрофобной поверхности вследствие многомодальной шероховатости.
В четвертой главе сформулирована автономная замкнутая математическая модель, в которой локальные скорости испарения рассчитывались в явном виде с использованием математического выражения закона Г ерца-Кнудсена. В результате математического моделирования процесса испарения капли воды с поверхности твердого тела в условиях ее нерастекания установлено, что температуры испаряющейся капли охлаждающей жидкости могут быть в течение достаточно длительного времени существенно ниже (на 10-15 %) температур поверхностей теплонагруженных элементов. Перепад температур по угловой координате испаряющейся с нагретой от 313 К до 343 К поверхности подложки капли воды может достигать 35 К. Последнее приводит к существенному снижению (более чем в 10 раз) локальных скоростей испарения капли охлаждающей жидкости при увеличении угловой координаты от ф = 0° (контактная линия) до ф = 90° (точка, соответствующая максимальной толщине капли).
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

Купить

1. По результатам экспериментальных исследований установлено, что при обработке поверхности подложки из алюминиевого сплава шлифовальной машиной, шлифовально-полировальными дисками и лазерным излучением выполняется условие нерастекания капли воды - более 90 % времени своего существования капля воды испаряется в режиме постоянного контактного диаметра (пиннинг контактной линии).
2. Установлено, что при испарении капель воды с полистирольными
частицами (при концентрации 0,025 %) на нагретой поверхности подложек
образовывались твердые осадки в виде колец.
3. После добавления полистирольных частиц с характерными размерами 50 нм, 100 нм или 1000 нм в дистиллированную воду условие нерастекания капли воды с частицами объемной концентрацией 0,025% выполняется как на шероховатых, так и на относительно гладких поверхностях подложек из алюминиевого сплава.
4. Сформулирована математическая модель теплопереноса в испаряющейся с поверхности твердого тела капле, в которой локальные скорости испарения рассчитывались в явном виде с использованием математического выражения закона Г ерца-Кнудсена.
5. По результатам математического моделирования установлено, что температуры испаряющейся капли охлаждающей жидкости могут быть в течение достаточно длительного времени существенно ниже (на 10-15 %) температур поверхностей теплонагруженных элементов.
6. Перепад температур по угловой координате испаряющейся с нагретой от 313 К до 343 К поверхности подложки капли воды может достигать 35 К. Последнее приводит к существенному снижению (более чем в 10 раз) локальных скоростей испарения капли охлаждающей жидкости при увеличении угловой координаты от ф = 0° (контактная линия) до ф = 90° (точка, соответствующая максимальной толщине капли).
7. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований иллюстрируют возможность управления процессами охлаждения локальных нагретых до высоких температур участков поверхностей элементов конструкции энергонасыщенного оборудования при специальной обработке этих участков и последующем осаждении на эти участки капель испаряющихся при нагреве жидкостей.
Купить