Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наблюдается рост интереса к исследованиям в области капиллярной гидродинамики и теплообмена в микросистемах, вызванный бурным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, энергетике и химической технологии. Например, для охлаждения микроэлектронного оборудования разрабатываются миниатюрные тепловые трубы и микроканальные системы охлаждения с двухфазным теплоносителем. Двухфазные течения в каналах малого сечения используются в мембранных топливных элементах и испарительно-конденсационных системах термостабилизации космических аппаратов. Прикладные аспекты рассматриваемой проблемы связаны с перспективой применения каналов малого и сверхмалого размера для интенсификации тепломассопереноса в компактных энергетических устройствах. При уменьшении поперечного размера канала, отношение поверхности к объему канала увеличивается обратно пропорционально диаметру канала, что обуславливает высокую интенсивность теплообмена в микросистемах. Эффекты масштаба и ламинарная природа течения в микроканале приводит к изменению соотношения вязких, гравитационных, инерционных и капиллярных сил. Известно, что структура газожидкостного течения в земных условиях в значительной степени определяется эффектами гравитации, которые определяют форму межфазной поверхности на капиллярно-гравитационном масштабе. В микроканалах определяющим масштабом является поперечный размер канала, который может быть существенно меньше капиллярно-гравитационного масштаба. Это определяют существенно новые закономерности газожидкостных течений и существующие теоретические подходы к анализу гидродинамики и процессов переноса не могут быть применены для проектирования микроканальных устройств.
В этой связи актуальным является проведение систематических экспериментальных исследований капиллярной гидродинамики газожидкостных течений в микроканалах, а также анализ и построение моделей, учитывающих физические механизмы, влияющие на гидродинамику в каналах малого поперечного размера. Экспериментальное исследование таких течений требует разработки новых методов регистрации параметров течений на микромасштабе. В настоящее время, одним из наиболее распространенных методов регистрации параметров газожидкостного течения в микроканале, является скоростная видеосъемка. Такой метод является достаточно трудоёмким и непредставительным из-за необходимости обработки больших объемов информации. Поэтому необходимым является развитие методов измерения статистических характеристик течений на микромасштабе и проведения на их основе систематических исследований закономерностей газо-жидкостного течения в каналах с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной, то
есть в таких каналах, в которых влияние капиллярных сил является преобладающим.
Целью работы является развитие методов экспериментального исследования гидродинамики двухфазного газожидкостного течения в микроканале, получение закономерностей режимов течения и определение границ режимов течения, определение потерь на трение для каналов с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести.
Научная новизна
-
С помощью метода двулучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки получены основные режимы восходящего и горизонтального адиабатного газо-жидкостного потока в микроканалах прямоугольного сечения с отношением сторон канала больше 0.3. Установлено, что режим течения в микроканале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависит от ориентации канала относительно вектора силы тяжести и доминирующее влияние на развитие течения оказывают капиллярные силы.
-
Впервые в широком диапазоне размеров микроканала получены комплексные статистические характеристики движения жидкой и газовой фаз, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек. Показано, что доминирующими режимами течения в микроканале с отношением сторон больше 0.3 являются: течение с жидкими перемычками, стабилизированными капиллярными силами, и кольцевое течение с волнами на короткой стороне канала.
-
Впервые предложено определять границы режимов течения в каналах на основании обработки статистических данных: по зависимости дисперсии, распределения относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазой и Фурье-спектра сигнала от приведенной скорости газа и жидкости. С использованием этого метода достоверно определены границы режимов течения для микроканалов различного поперечного размера, установлена зависимость границ режимов течения от поперечного размера микроканала.
-
В широком диапазоне изменения поперечного размера канала построены карты режимов течения для горизонтальных и вертикальных микроканалов, определено влияние размера канала на режимы течения и границы режимов течения. Для микроканалов с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной впервые экспериментально обоснован новый метод расчета границы перехода от снарядного режима течения к кольцевому течению.
-
Определены входные условия, которые влияют на формирование газожидкостного течения, в том числе на распределение длин газовых снарядов. Предложена и экспериментально обоснована модель для расчета средней
длины газового снаряда в микроканале. Данная модель хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными и результатами других авторов.
-
С помощью метода LIF установлена форма волн на поверхности пленки жидкости для кольцевого течения, показана связь волн на длинной и короткой стороне канала. Получены спектральные характеристики волн и измерена остаточная толщина пленки жидкости.
-
Измерены потери давления на трение в микроканалах с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести. Установлено, что потери давления на трение в канале с поперечным размером существенно меньше капиллярной постоянной не зависят от ориентации канала и находятся в хорошем согласии с расчетом по модифицированной модели Kreutzer et al. (2005) при учете капиллярного давления на межфазной поверхности и относительной длины жидких перемычек.
Достоверность результатов подтверждается оценкой величины погрешности измерений, проведением калибровочных экспериментов, сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов, а так же использованием обоснованных методик измерений.
Автор защищает:
Результаты по экспериментальному определению границ режимов течения в прямоугольных вертикальных и горизонтальных микроканалах с зазором от 200 мкм до 2 мм, полученные при использовании метода лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки.
Результаты по влиянию поперечного размера микроканала на режим течения и положение границ перехода между режимами течения, карты режимов течения в горизонтальных и вертикальных прямоугольных микроканалах.
Результаты по определению статистических характеристик движения жидкой и газовой фаз в микроканалах, в том числе скоростей движения фаз, длин жидких и газовых перемычек.
Результаты по измерению относительного времени перекрытия сечения канала газовой и жидкой фазами, построения Фурье-спектров режимов течения и их использования для определения режима течения.
Результаты по определению волновой структуры межфазной поверхности в кольцевом режиме течения методом лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF).
Результаты по определению потерь на трение для однофазного и двухфазного течения в микроканалах горизонтальной и вертикальной ориентации.
Практическая ценность работы связана с установлением закономерностей режима течения и потерь давления на трение в микроканалах при различной ориентации каналов, которые могут быть использованы при обосновании режимов работы технологического оборудования энергетических устройств и микрореакторов химических технологий. Это обуславливает повышение энергоэффективности и надежности оборудования на основе микроканалов, в том числе при использовании микроканалов для интенсификации процессов тепломассообмена. Метод регистрации двухфазного течения с помощью лазерного сканирования потока позволяет получить более полную характеристику течения, в том числе измерить новые параметры, такие как статистические характеристики течения. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и оптимизации компактных теплообменников.
Личный вклад автора заключается в конструировании рабочих участков, создании и отработки методики измерений статистических характеристик газожидкостного течения с помощью метода лазерного сканирования и метода лазерно-индуцированной флуоресценции. Им разработана программа для обработки статистических параметров потока, программа для обработки видеосъемки, получены экспериментальные результаты, проведена их обработка, написаны статьи.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на XVII школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» (г. Жуковский (Москва), 25-29 мая 2009 года); на международной выставке и научном конгрессе «ГЕО-Сибирь V» (г. Новосибирск, 21-23 апреля 2009 г.); на V Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 25-29 октября 2010 г.); на Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теплофизический семинар» (г. Новосибирск, 15-17 ноября 2010 г.); на XI Всероссийской школе-конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Новосибирск, 17-19 ноября 2010 г.); на Международной школе по разработке микропроцессов и приложениям нанотехнологий (Новосибирск, 27-28 апреля
-
г.); на XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (г. Звенигород (Москва) 23-27 мая
-
г.); на III Всероссийском семинаре «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (г. Новосибирск, 25-27 мая 2011 г.); на X Международной конференции молодых учёных «XXX Сибирский теплофизический семинар "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики"», (Новосибирск, 13-16 июня 2012 г.); на IV Всероссийской конференции «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (г. Новосибирск, 6-8 июня
-
г); на X Международной научной конференции «Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Алушта 17-23 сентября 2012), а также на научных семинарах в Институте теплофизики СО РАН.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 156 наименований. Диссертация изложена на 158 страницах, включает 10 таблиц и 102 рисунка.
