Введение к работе
Актуальность темы
За последние десятилетия технология изготовления миниатюрных устройств сделала революционный шаг вперед.
Развитие технологии идет в сторону миниатюризации и главным образом в трех направлениях:
уменьшение размеров устройства при сохранении хотя бы одной функции;
увеличение количества функций устройства при сохранении размеров;
создание принципиально новых устройств.
Движущей силой в плане миниатюризации устройств является в основном микроэлектроника. Развитые технологии микроэлектроники нашли применение для создания микро- и наноэлектромеханических систем и позволяют реализовывать принцип массовости.
С одной стороны, микроэлектроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, с другой -снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.
Микротехнологии и современные материалы открывают перед исследователями новые возможности, новые направления исследования. В области гидрогазодинамики сформировавшимся новым направлением является микрофлюидика - исследование течения жидкости и газа в микромасштабах. В частности, в биологии миниатюризация размеров экспериментальных устройств открывает переход к качественно новым высокопроизводительным методам решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач молекулярной и клеточной биологии, биотехнологии и биомедицины. Манипулирование в микрожидкостных системах пиколитрами жидкостей позволяет на порядок снизить количество анализируемых биологических объектов: макромолекул, клеток, биологически активных веществ.
На современном этапе развития микроэлектронной технологии существует возможность создавать чипы с миллионами транзисторов на 1 мм . Воздушное охлаждение уже не может эффективно справляться с перегревом. В связи с этим возникает задача повышения эффективности теплоотвода от чипа, и здесь микрожидкостные устройства также находят применение.
При проектировании и создании микрожидкостных устройств различного направления необходимо прежде всего знать законы течения жидкости и газа на микро- и наноуровне. Касается это главным образом гидравлического сопротивления микро- и наноканалов, а также теплообмена в микроканалах. Изменение соотношения
поверхностных и объемных сил на микро- и наноуровне может приводить к изменению свойств поведения жидкости и газа, и необходимо знать, в чем проявляются особенности и отличия микротечений от макротечений.
Еще одним объектом исследований в области микротечений являются микроструи жидкости и газа. Струи жидкости в виде отдельных микрокапель используются в струйной печати, а также в микротсруйных системах для подкожных инъекций.
В настоящее время газовые микроструи нашли применение в современных технологических процессах, авиации и космонавтике. Технологическим применением микроструй является смешение газов и защита поверхностей от воздействия химически агрессивной или высокотемпературной среды. Сверхзвуковые микроструи имеют перспективу использования в авиакосмической области для защиты поверхностей, обтекаемых высокотемпературным потоком, и подавления плазменных образований вокруг высокоскоростных летательных аппаратов и спускаемых космических аппаратов. При этом длина сверхзвукового участка играет решающую роль в оценке эффективности струйного воздействия на поток.
В настоящее время наиболее интенсивно развиваются численные методы исследования микротечений, результаты которых в свою очередь требуют экспериментального подтверждения, поскольку используемые при моделировании основные уравнения построены на эмпирических законах макромасштабов.
Практические потребности предопределили научный интерес к исследованию дозвуковых и сверхзвуковых микроструй.
Появление нового направления исследований в области гидрогазодинамики микротечений (микрофлюидика) требует разработки новых датчиков и методов исследований течения жидкости и газа на микроуровне.
Цель исследования
Разработка новых датчиков и методики для исследования микротечений жидкости и газа. Изучение некоторых характеристик течений жидкости и газа на микроуровне. Поиск отличий поведения жидкости и газа на микро- и макроуровне и определение критериев, при которых это отличие наблюдается.
Задачи исследования
Определение коэффициента гидравлического сопротивления микроканалов различной формы и различного гидравлического диаметра.
Изучение влияния звукового воздействия на дозвуковую микрострую газа. Выявить связь скорости истечения газа, частоты и амплитуды звукового воздействия на устойчивость дозвуковой микроструи, истекающей из двумерного микросопла.
Исследование структуры сверхзвуковых недорасширенных осесимметричных микроструй. Определить характер связи основных параметров сверхзвуковых микроструй со степенью нерасчетности струи.
Научная новизна
На основе способа получения микротрубок разработана технология создания новых датчиков для аэродинамических измерений: миниатюрного датчика Пито и трубчатого датчика термоанемометра. Изготовленные датчики являются необходимым инструментарием для исследования газодинамических объектов микроскопического размера. Продемонстрированные в работе преимущества новых датчиков позволят использовать их не только для исследования микротечений жидкости и газа, но и решить ряд задач как дозвуковой, так и сверхзвуковой аэродинамики.
Разработана технология и созданы микроканалы диаметром 100-68 мкм, осесимметричные и двумерные микросопла характерным размером 340-10 мкм. Способ изготовления позволял получать как прямолинейные, так и микрокалалы Сообразной формы с отверстиями в стене канала. Это позволило получить распределение давления в микроканлах для ламинарного и турбулентного режимов и определить такие особенности микротечения, как падение давления на входе в микроканал, область развивающегося течения, определить критическое число Рейнольдса.
Выявлены особенности устойчивости течения дозвуковых двумерных микроструй газа, проявляющиеся в преобразовании струи на две и более вихревые дорожки в зависимости от скорости истечения газа и сочетания параметров звукового воздействия на микрострую.
С помощью микротрубки Пито и разработанных для нее методик измерения давления впервые были исследованы сверхзвуковые недорасширенные микроструи азота и воздуха, истекающие в затопленное пространство из сопел диаметром менее 100 мкм. Показаны отличия поведения сверхзвуковых недорасширенных микроструй от макроструй, и определена область параметров, где наблюдаются эти отличия:
- значительное увеличение относительной дальнобойности струи при
уменьшении диаметра сопла менее 60 мкм;
- эффект реламинаризации течения в слое смешения сверхзвуковой струи.
На основе выявленных отличий предложена классификация свободных микроструй азота по диаметру сопла, согласно которой под микроструей понимается струя, истекающая из сопла диаметром 60 и менее микрометров.
Научная и практическая значимость
Изготовленные на основе микротрубок датчики (миниатюрная трубка Пито и трубчатый датчик термоанемометра) являются новым инструментом для исследователей как в области аэродинамики, так и в области микротечений.
Полученные данные по коэффициенту гидравлического сопротивления микроканалов, входных участков микроканалов, закругленных частей микроканалов используются при проектировании микрожидкостных устройств.
Впервые продемонстрировано, что при звуковом облучении дозвуковой двумерной микроструи газа, микроструйное течение может преобразовываться не только в две вихревые дорожки, но и в большее количество вихревых дорожек, идущих под углом друг к другу, что может способствовать интенсификации смешения газов.
Пространственное разрешение микронного размера микротрубки Пито позволило определить структуру сверхзвуковых микроструй и обнаружить эффект значительного увеличения дальнобойности микроструй по сравнению со струями макроразмера.
Наиболее существенные научные положения, выдвигаемые на защиту
Существующие инструменты и методы исследования течений жидкости и газа на макроуровне не могут быть адекватно перенесены на область микротечений. В связи с этим модификация существующих инструментов и методов исследования, а также развитие новых актуальны и имеют важное значение для понимания физики явлений и процессов происходящих на микро- и наноуровне и создания микро- и наножидкостных устройств прикладного значения.
К наиболее существенным научным результатам, выдвигаемым для защиты, относятся:
разработка новых датчиков на основе микротрубок: миниатюрного датчика Пито и трубчатого датчика термоанемометра - концепция, конструкция, свойства и области применения;
технология изготовления микроканалов и микросопел, основанная на современных материалах;
результаты экспериментального определения свойств течения жидкости в микроканалах;
опытные данные по устойчивости течения дозвуковых микроструй газа;
результаты экспериментального исследования сверхзвуковых недорасширенных микроструй газа;
впервые обнаруженные эффекты в сверхзвуковых микроструях: увеличение относительной дальнобойности и реламинаризация слоя смешения микроструй.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, Казань, РФ, 2004, 2010, 2012 гг.); на Международной конференции «Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale» (Лука, Италия, 2005 г.); на Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, РФ, 2008 г.); на Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, РФ, 2009, 2011гг.); на Всероссийском семинаре «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (Новосибирск, РФ, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); на Международной школе-конференции «Advanced Problems in Mechanics» (Санкт-Петербург, РФ, 2009 г.); на 12-й Молодёжной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, РФ, 2010 г.); на Семинаре с международным участием «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Санкт-Петербург, Томск, РФ, 2010, 2012 гг.); на Европейской конференции по микрофлюидике «European conference on Microfluidics» (Болонья, Италия, 2008 г., Тулуза, Франция, 2010 г., Хайдельберг, Германия, 2012 г.); на X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, РФ, 2011 г.); на Третьей международной конференции «Micro and Nano Flows» (Салоники, Греция, 2011 г.); на Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Современные проблемы динамики разреженных газов» (Новосибирск, РФ, 2013 г.).
По материалам диссертации имеется два патента, опубликовано 15 статей из списка, рекомендованного ВАК, 40 публикаций в материалах российских и международных конференциях. Список основных публикаций приведен в конце автореферата [1-30].
Личный вклад автора
Основные научные результаты, включенные в диссертацию, получены автором самостоятельно. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом как
лично, так и в соавторстве с С.Г. Мироновым и научным консультантом А.А. Масловым.
При разработке трубчатого датчика термоанемометра автор принимал участие в определении конфигурации, геометрии и способов крепления микротрубки. Технология изготовления микротрубок и трубчатых датчиков разработана в ИФП СО РАН. Определение свойств трубчатого датчика и часть аэродинамических экспериментов были выполнены в соавторстве с А.Н. Шиплюком.
Автором непосредственно был изготовлен миниатюрный датчик Пито, разработана технология изготовления микроканалов с отверстиями в стенке для измерения давления и микросопел (двумерных и осесимметричных).
Часть работ по исследованию дозвуковых и сверхзвуковых микроструй была выполнена в соавторстве с И.С. Цырюльниковым, Д.А. Бунтиным и СВ. Кириловским.
Представление совместных результатов согласовано с соавторами. Вклад диссертанта в основные результаты исследований является определяющим.
Достоверность результатов
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием в экспериментальных исследованиях хорошо отработанных методов термоанемометрических измерений и измерения давления. Определение геометрических характеристик микрообъектов осуществлялась по фотографиям, полученным на электронном микроскопе. Использование микроманипулятора с микронным шагом перемещения и миниатюрной трубки Пито при исследовании сверхзвуковых микроструй определяло достоверность проведенных особо тонких экспериментов. Кроме того, сопоставление данных, полученных микротрубкой Пито, с данными моделирования микроструй разреженным газом и результатами численного моделирования с помощью коммерческого пакета ANS YS Fluent, показали хорошее совпадение.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 200 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 117 наименований. Текстовая часть иллюстрируется 194 рисунками.
