Введение к работе
Актуальность темы. Современные технические системы
характеризуются конструктивной компактностью, например, миниатюрные
радиоэлектронные приборы и устройства, малогабаритные генераторы
тепловой энергии, мобильные энергоустановки, наземные системы
управления космическими комплексами и т.д. При этом возникает
проблема охлаждения интенсивно тепловыделяющих поверхностей.
Классические методы охлаждения компактных тепловыделяющих
поверхностей малоэффективны из-за малого характерного геометрического
размера, что приводит к необходимости дальнейшего увеличения
расходной характеристики теплоносителя. Другим способом
интенсификации является развитие теплопередающей поверхности
интенсификаторами, однако и в этом случае из-за компактности тепловыделяющей поверхности не удается повысить коэффициент развитости поверхности теплопередачи.
В связи с этим наиболее перспективным является подход, который
заключается в использовании так называемых микроканальных сред,
характеризующихся высокой степенью коэффициента развитости
поверхности теплопередачи с одновременным использованием двух механизмов переноса теплоты – конвективным и теплопроводностью.
Несмотря на очевидные преимущества использования
микроканальных или пористых сред для интенсификации процессов теплоотдачи до сегодняшнего времени нет четкого и ясного понимания механизмов и закономерностей переноса теплоты в них. В первую очередь, это связано со стохастической структурой пористых сред, а во-вторых, непреодолимыми трудностями решения синтезированных математических моделей теплопереноса на основе фундаментальных уравнений Навье-Стокса конвективного теплообмена с неформализуемыми условиями сопряжения на границе между жидким теплоносителем и пористым, как правило, твердым телом. В последнее время для решения этой проблемы предлагается два подхода. Первый заключается в том, что математическое описание строится по упрощенной схеме с введением ряда параметров, которые верифицируются из экспериментальных исследований. Второй – математическая модель строится с использованием процедур осреднения фундаментальных уравнений импульса, теплоты и массы. При этом в результате получают феноменологическую систему уравнений, например, система уравнений Дарси-Бринкмана-Форчхеймера. Существует и третий подход, который основан на использовании стохастического уравнения Фолмера-Планка, но неопределенность в выборе функций плотностей распределения базовых характеристик не позволяет пока говорить о завершенности построения математических моделей в этом случае.
Наиболее существенный вклад в теоретические и практические аспекты теплообмена в микроканальных системах охлаждения отражены в работах В.М. Поляева, Б.М. Галицейского, А.В. Курпатенкова, В.И.
Воронина, В.В. Фалеева, А.И. Леонтьева, Б.В. Дзюбенко, Ю.А. Кузма– Кичты, Vafai K., Nield D.A., Cheng P., D.B. Ingham, I. Pop и др.
Тем не менее, трудности теоретического описания и неясности основных закономерностей теплопереноса в микроканальных средах не помешали созданию конструкций теплообменных элементов на их основе и эффективному использованию в различных областях. Более того, рядом зарубежных и отечественных компаний налажен серийный выпуск микроканальных теплообменников, в т.ч. тепловых труб.
Учитывая перспективность и важность использования
микроканальных теплообменных элементов, необходимы дальнейшие исследования конвективного теплообмена в микроканальных средах для выбора рациональных гидротермических режимов и конструкционных параметров, обеспечивающих наибольшую эффективность охлаждения тепловыделяющих поверхностей. Для этого требуются модификация уравнений феноменологической теории теплопереноса в микроканальных средах, разработка методов их анализа, выявление на их основе новых закономерностей переноса теплоты и экспериментальное подтверждение эффективности создаваемых микроканальных теплообменников.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-
исследовательских госбюджетных работ Воронежского государственного
технического университета «Физико-технические проблемы энергетики» в
рамках НИР (ГБ 2007.12, ГБ 2010.12, ГБ 2013.12, ГБ 2016.12) и в
соответствии с ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-
2012 годы», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России» на 2009-2013 годы, ФЦП «Развитие электронной компонентной
базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, ФЦП «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (соглашение о предоставлении субсидии от 28.10.2015 г. № 14.577.21.0202, уникальный идентификатор RFMEFI57715X0202).
Цель работы – идентификация гидротермических характеристик с
учетом структуры компактных микроканальных систем охлаждения
поверхностей при интенсивном тепловыделении и выявление
закономерностей конвективного однофазного теплопереноса в них
методами математического моделирования и экспериментального
исследования, создание конструкционных схем на их основе.
Задачи исследования:
1. Разработка модификации математической модели конвективного
теплообмена в микроканальных стохастических структурах с
использованием классических уравнений Дарси-Бринкмана-Форчхеймера и Шуммана на примере плоской макрогеометрии с последующим анализом взаимного влияния гидродинамической и тепловой составляющих, а также локальных характеристик пористого каркаса.
2. Применение предложенной модификации на основе
феноменологического подхода к описанию теплообмена в микроканальных
стохастических структурах для синтеза математической модели 3D
теплообменника и проведение сравнительного анализа с
экспериментальными результатами.
3. Оценка времени релаксации гидротермических режимов
микроканального теплообменника при изменении входных
гидродинамических и тепловых условий и локальных геометрических
характеристик пористого каркаса.
4. Построение и анализ математической модели для оценки
гидротермических режимов теплообмена в микроканальных элементах с
регулярной структурой.
5. Проведение пилотных экспериментальных исследований
микроканальных теплообменных элементов со стохастической и
регулярной структурами.
6. Проверка адекватности предложенных математических моделей
микроканальных теплообменных элементов со стохастической и
регулярной структурами с использованием специализированного пакета
ANSYS. Оценка гидротермических характеристик комбинированных схем
микроканальных теплообменных элементов.
7. Реализация результатов исследования в виде инженерной методики
и предложенных конструкционных схем микроканальных
теплообменников в различных технических системах.
Научная новизна:
-
Предложена модификация математической модели конвективного теплообмена в микроканальных регулярных и иррегулярных структурах с использованием классического уравнения Дарси-Бринкмана-Форчхеймера, которая отличается от известных обоснованной физической линеаризацией, позволяющей для адекватного описания охлаждения тепловыделяющей поверхности использовать линеаризованные уравнения Дарси-Бринкмана с разсопряжением гидродинамической и тепловой подзадач. Получено аналитическое решение уравнений модифицированной стационарной математической модели в виде краевой задачи для системы дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа, с помощью которой возможна оценка влияния гидродинамического начального участка на процесс теплообмена.
-
В рамках принятой модификации впервые получено аналитическое решение для конвективного однофазного теплообмена в микроканальном 3D теплообменнике, которое отличается возможностью анализа локальной гидродинамики, тепловых полей теплоносителя и пористого каркаса, позволяющих идентифицировать гидротермические режимы функционирования теплообмена в зависимости от входных условий и локальной геометрии пористой структуры.
3. Получена точная аналитическая оценка времени релаксации
гидротермических характеристик микроканального теплообменника в
зависимости от гидродинамических и тепловых режимов процесса
охлаждения тепловыделяющей поверхности, а также теплофизических
параметров теплоносителя, пористого каркаса и его локальных
геометрических характеристик.
-
В соответствии с предложенной модификацией синтезированная математическая модель теплообмена в микроканальных элементах с регулярной структурой отличается от известных проведением процедуры объемного осреднения, что позволило в рамках феноменологического подхода оценить локальные поля температур теплоносителя и пористой регулярной структуры из нитевидных монокристаллов кремния, на основе которых предложены новые критериальные соотношения для локальных чисел Нуссельта в зависимости от гидродинамического режима и геометрических характеристик пористого каркаса.
-
Вычислительный эксперимент с помощью специализированного пакета ANSYS по определению гидротермических характеристик микроканальных теплообменных элементов со стохастической и регулярной структурами, отличающийся проведением сравнительного анализа по распределенным значениям параметров, подтвердил адекватность и корректность физической линеаризации основных уравнений математической модели.
-
На созданных экспериментальных установках получен массив экспериментальных данных, отличающихся от известных возможностью непосредственного анализа гидротермических характеристик микроканальных теплообменных элементов со стохастической и регулярной структурами по интегральным измерениям.
-
Разработанная инженерная методика расчета микроканальных теплообменников отличается от известных инвариантностью при оценке гидротермических характеристик теплообменников с пористой структурой, применяемых при охлаждении поверхностей с интенсивным тепловыделением, а предложенные на ее основе теплообменники показали свою эффективность в различных технических системах.
Практическая ценность и реализация:
По результатам теоретических и экспериментальных исследований
разработаны и предложены: расчетные методики и критериальные
зависимости для определения гидротермических характеристик пористых и
микроканальных теплообменных элементов, в том числе в условиях
нестационарности, позволяющие обоснованно выбирать геометрические параметры проектируемых теплообменников с учетом гидродинамического режима их функционирования и удельной величины теплосъема с компактной поверхности; сконструированы пилотные образцы пористых и микроканальных теплообменников для теплосъема удельного теплового потока до 100 Вт/см2, прошедшие апробацию в АО Корпорация НПО «РИФ»
(внедрена расчетная методика для опытных образцов пористых
теплообменных элементов гибридных систем термостатирования), АО Концерн «Созвездие», ООО «Кодофон-Телеком», ООО «ВЭКС - Энерго», АО «Конструкторское бюро химавтоматики», академия ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина».
Достоверность результатов исследований подтверждается
применением фундаментальных законов явлений переноса, проведением теплофизических экспериментов на сконструированных пилотных и опытно-промышленных установках по общепринятым методикам с использованием поверенной контрольно-измерительной аппаратуры и сравнительным анализом полученных результатов с имеющимися данными.
Апробация работы: Инженерные системы 2010 (Москва, РУДН);
Современные аэрокосмические технологии (Воронеж 2002); Прикладные
задачи механики и тепломассообмена в авиастроении (2001);
Авиакосмические технологии (Воронеж 2003, 2016); Ракетно-космические двигательные установки (Москва 2010); XIII, XIV, XVI, XVIII, XIX, ХХ, XXI Школы-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (2001, 2003, 2007, 2011, 2013, 2015, 2017 годы); Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 1998, 2002, 2010, 2014); ХIX Международная научно-практическая конференция, посвященная 55-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева «РЕШЕТНЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ» (Красноярск 2015); XXXII Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск 2015); XV Международный форум по теплообмену (Минск 2016); научный семинар ОИВТ РАН (Москва 2017); Современные проблемы теплофизики и энергетики (Москва, 2017), а также научно-технические конференции и семинары по теплофизике в Воронежском государственном техническом университете.
Результаты научных исследований отмечены на международных выставках: «The 7 th International Invention Fair in the Middle East hosted by Kuvwit Science Club» - серебряная медаль (2014 г.); Inernationale Fachmesse «Ideen-Erfindungen-Neuheiten- «Nurnberg International Trade Fair »Ideas-Inventions-New Products» - бронзовая медаль (2014 г.).
Публикации по теме диссертации. Материалы по теме
диссертационной работы изложены в 49 публикациях, 17 – в научных
изданиях из списка ВАК РФ, получено 4 патента. В опубликованных работах
соискателю принадлежат: определение приоритетных направлений
исследования; разработка математических моделей и получение
аналитических решений для однофазного конвективного теплопереноса в
пористых и микроканальных теплообменниках, проведение
теплогидродинамических расчетов; численное моделирование
гидродинамики и теплообмена в пористых элементах сложной геометрии, в
т.ч. с использованием программного комплекса ANSYS; проведение
экспериментальных и опытно-промышленных исследований; разработка пилотных конструкций теплообменных аппаратов.
Области исследований в соответствии с паспортом специальности:
п.5. Экспериментальные и теоретические исследования однофазной, свободной и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей, режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей.
п.9. Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты.
Объем и структура работы.
Основная часть диссертационной работы изложена на 367 страницах, содержит 234 рисунка и 24 таблицы. Работа включает введение, восемь глав, заключение, список литературы из 285 наименований и приложение.