Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Рассматриваемая в проекте задача разработки научных основ и развития методов управления процессами тепломассообмена при высокоинтенсивных фазовых переходах и химических реакциях в мини- и микроканалах предполагает изучение многомасштабных гидродинамических и тепловых процессов при двухжидкостных и газожидкостных течениях в микроканалах, кипении жидкости в условиях вынужденной конвекции в микроканалах и динамики фазового взрыва микрообъемов жидкости со скачкообразным изменением плотности вещества при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами. План работ 2016 года включал четыре взаимосвязанных блока экспериментальных и расчетных исследований, направленных на решение задач проекта. Экспериментально установлены закономерности капиллярной гидродинамики двухжидкостных течений в прямых прямоугольных микроканалах. Для набора систем несмешивающихся жидкостей в прямом микроканале прямоугольного сечения определено влияние на свойства и режим течения таких параметров, как вязкость жидкостей, отношение расходов жидкостей, смачиваемость стенок микроканалов. Выявлено, что основными параметрами, определяющими режим течения, являются скорость течения, отношение объёмных расходов, отношение вязкостей жидкостей и контактный угол смачивания. Используя результаты визуализации для всех наборов жидкостей, была построена обобщенная карта режимов течения, построенная по параметру число Вебера, умноженному на число Онезорге для каждой жидкости. Выявлено две категории систем жидкостей: системы, в которых четко выделены несущая и дисперсная фазы (контактный угол несущей фазы всегда мал) и системы, в которых значения контактного угла смачивания для несущей и дисперсной фаз отличаются несущественно. По результатам визуализации течений установлены зависимости длины снарядов от отношения расходов жидкостей для систем керосин – вода, парафиновое масло – вода, касторовое масло – парафиновое масло, ионная жидкость-вода. Разработан метод micro-PTV и с его помощью измерены мгновенные поля скорости в снарядном режиме течения для системы касторовое масло-вода. Выполнены расчеты двухжидкостных течений смеси касторового и парафинового масел в микроканале Т-типа с использованием численной методики, основанной на методе жидкости в ячейках (VOF). Изучены свойства снарядного режима течения для данной смеси, в исследуемом микроканале и выявлен диапазон расходов жидкостей, в котором он существует, установлено качественное и количественное согласие результатов моделирования и экспериментальных данных. Экспериментально установлены закономерности газожидкостного течения смесей вода-азот, этанол-азот и водоспиртовый раствор-азот в прямоугольном микроканале. С использованием методов двухлучевого лазерного сканирования и высокоскоростной видеосъемки выявлены основные режимы восходящего и горизонтального газожидкостного течения. Впервые предложено определять границы режимов течения на основе комплексной статистической обработки результатов двухлучевого лазерного сканирования течения, количественно выявлено значительное увеличение среднеквадратичного отклонения распределения оптических сигналов при переходе от течения с удлиненными пузырями к переходному течению. Выявлены скорости фаз, при которых жидкие пробки в газовом потоке исчезают и относительное время нахождения лазерного луча в газовой фазе достигает единицы, что указывает на переход к кольцевому течению. Построена обобщенная карта режимов течения смесей вода-азот, 40% водный раствор этанола-азот и этанол-азот в микроканалах в безразмерных координатах, соответствующих комплексам чисел Вебера и Рейнольдса, которая хорошо обобщает экспериментальные данные для жидкостей с существенно различающимися физическими свойствами. Разработана методика применения метода лазерно-индуцированной флуоресценции для определения локальной толщины пленки жидкости при газожидкостном течении в микроканале, установлено, что толщина пленки жидкости максимальна в начале пузыря, и убывает с ростом расстояния вниз по потоку. Экспериментально установлены закономерности локального теплообмена при кипении терморегулирующей жидкости перфторгексан (FC-72) в условиях вынужденной конвекции в микроканальном теплообменнике, содержащем 21 канал с поперечным размером 335x930 мкм. Установлено, что испарение сверхтонкой пленки жидкости является определяющим при малых тепловых потоках и определяет интенсификацию теплоотдачи по сравнению с кипением в большом объеме. При паросодержании меньше 0.28 установлены критические тепловые потоки для кипения терморегулирующей жидкости перфторгексан в условиях вынужденной конвекции для массовых расходов 450 кг/м2с и 900 кг/м2с. Установлено, что отличие критического теплового потока от расчёта по формуле С.С. Кутателадзе для кризиса кипения в большом объеме составляет не более 20%. Получены зависимости локальных коэффициентов теплоотдачи от локального паросодержания, плотности теплового потока и давления при массовых расходах 270, 450 и 900 кг/м2с. Проведено развитие модели теплоотдачи при кипении в микроканалах в условиях вынужденной конвекции, в которой теплообмен рассчитывается по трехчленному уравнению, учитывающему конвективную составляющую, теплообмен при пузырьковом кипении, фактор подавления кипения в тонких плёнках и теплообмен при испарении тонких плёнок жидкости. Получено, что предложенный метод расчета теплоотдачи показывает соответствие экспериментальных данных расчёту при паросодержаниях меньше 0.6 с погрешностью до 15%. Для проведения экспериментальных исследований динамики фазового взрыва и взрывного кипения микрообъемов жидкости при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами численно обоснована многослойная микроструктура нагревателя, изготовленного по технологии МЭМС, которая обеспечивает возможность получения экстремально высоких скоростей роста температуры без разрушения микронагревателя. Проведена доработка экспериментального стенда и методик изучения динамики взрывного кипения и фазового взрыва жидкости. Для изучения взрывного кипения развита оптическая методика регистрации зародышеобразования, основанная на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от поверхности нагревателя. В предложенном методе, тепловой поток от нагревателя и скорость роста температуры жидкости определяются при численном решении уравнения теплопроводности для многослойного нагревателя для установленного экспериментально времени начала взрывного кипения. Экспериментально установлены закономерности пузырькового распада микрообъемов воды, пропанола-1, пропанола-2 и нонана при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами с использованием многослойного микронагревателя, покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем. Экспериментально выявлена динамика взрывного кипения и фазового взрыва воды, в зависимости от скорости роста температуры жидкости. Динамика пузырькового распада воды для различной скорости роста температуры на микронагревателе установлена для эффективной плотности тепловыделения от 579 МВт/м2 до 4.31 ГВт/м2 и скорости роста температуры от 51.9 МК/c до 0.702 ГК/с. Выделены четыре основных стадии взрывного кипения и фазового взрыва жидкости на микронагревателе. Получено, что при увеличении скорости нагрева значительно уменьшается время интенсивного зародышеобразования, которое достигает значений 84 нс (dT/dt=703 МК/с) и 72 нс (dT/dt=800 МК/с). Определена зависимость температуры начала взрывного кипения для воды от скорости роста температуры поверхности микронагревателя и проведено сравнение измеренной температуры с расчетом температуры предельного перегрева и спинодали. Получено, что, для скорости роста меньше 400 МК/с, температура начала кипения меньше, чем температура предельного перегрева из-за снижения работы зародышеобразования на плохо смачиваемой поверхности. Экспериментально обнаружено превышение температурой начала пузырькового распада жидкости температуры предельного перегрева и достижение ею спинодали, что является новым результатом, существенно расширяющим имеющиеся представления о закономерностях взрывного кипения. Для воды, это наблюдается при скорости роста температуры больше 700 МК/с и свидетельствует о переходе от взрывного кипения к фазовому взрыву метастабильной жидкости. Установлено, что для скорости роста температуры больше 500 МК/с, Это подтверждается также изменением характера динамики интенсивности отраженного светового пучка. На основе представительной серии экспериментов выявлены закономерности начальной стадии пузырькового распада и температура начала взрывного кипения для пропанола-2, пропанола-1, н-нонана при скорости роста температуры жидкости от 50 до 600 МК/с. Установлено, что пороговая скорость роста температуры для пропанола-1 и пропанола-2, при которой возникает переход к фазовому взрыву, составляет более 200 МК/с и для н-нонана, который является ретроградной жидкостью, около 100 МК/с, что значительно меньше, чем для воды. Экспериментально установлено, что время кипения уменьшается с ростом теплового потока, и для воды изменяется от 16 до 12 мкс, для н-нонана изменяется от 8 до 4 мкс, для пропанола-1 и пропанола-2 фактически совпадает и изменяется от 12 до 8 мкс. Получено, что время инициирования взрывного кипения для воды несколько больше, чем для всех исследованных жидкостей, и зависит существенно от плотности теплового потока. При больших тепловых потоках, время инициирования кипения снижается до 700 нс. Численно установлены закономерности взрывного кипения микрообъемов воды при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами с использованием многослойного микронагревателя, покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем. Расчеты проведены с использованием математической модели пузырькового распада метастабильной жидкости. Она представляет собой модель гомогенного зародышеобразования, дополненную физической моделью роста давления в пристенном слое жидкости при возникновении пузырьков и экспериментально обоснованным уравнением для скорости роста пузырьков в окрестности температуры предельного перегрева. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало значительное снижение работы зародышеобразования на поверхности карбида кремния при взрывном кипении воды. Установлено хорошее соответствие результатов расчетов с экспериментальными данными по длительности интенсивного зародышеобразования и времени жизни основного парового пузыря.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Рассматриваемая в проекте задача разработки научных основ и развития методов управления процессами тепломассообмена при высокоинтенсивных фазовых переходах и химических реакциях в мини- и микроканалах предполагает изучение многомасштабных гидродинамических и тепловых процессов при двухжидкостных и газожидкостных течениях в микроканалах, кипении жидкости в условиях вынужденной конвекции в микроканалах и динамики фазового взрыва микрообъемов жидкости со скачкообразным изменением плотности вещества при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами. План работ 2017 года включал пять взаимосвязанных блоков экспериментальных и расчетных исследований, направленных на решение задач проекта. Экспериментально установлены закономерности капиллярной гидродинамики двухжидкостных течений в прямых прямоугольных микроканалах. Определены основные режимы течения смеси касторовое масло – вода, включая снарядный, параллельный, капельный и скользяще-снарядный, . построены карты режимов течений и проведено сравнение с полученными ранее в проекте картами, построенными в обобщенных координатах - число Вебера, помноженное на число Онезорге. В результате анализа полей скорости обнаружен новый вид структуры и топологии потока в снарядах для смеси касторовое масло-вода. По сравнению с известными случаями двух симметричных контуров циркуляции для воды и касторового масла практически всегда имеет место сложная трёхмерная структура течений внутри снарядов. На основании результатов визуализации выявлены карты режимов для микроканалов с различным отношением глубины к ширине. На основе численных расчетов получена форма снарядов при течении смеси ионная жидкость и дистиллированная вода для рассмотренных режимов течения, обнаружено, что с изменением скорости течения изменяется форма и размер снарядов, а также толщина пленки ионной жидкости на стенке канала. Получено хорошее согласие расчета и эксперимента по толщине пленки ионной жидкости на стенке и скорости движения снаряда. Для движения удлиненных пузырей азота в воде численно установлено определяющее влияние капиллярных сил, которое приводит к стягиванию жидкости на узкую сторону микроканала и формированию тонкой пленки жидкости на стенке. Получены приоритетные результаты по выявлению тонкой структуры течений смесей азот-бинарный водный раствор (дистиллированная вода-азот, 25% массовый водный раствор глицерина - азот, 40% массовый водный раствор глицерина - азот) с различной вязкостью с использованием двухлучевого лазерного сканирования и метода лазерной наведенной флюоресценции, определены основные режимы газожидкостных течений и построены карты режимов течения для жидкостей с различной вязкостью. Получено, что особенностью переходного течения является нарушение периодичности следования снарядов и резкое возрастание стандартного отклонения длительности газовых снарядов. На основе высокоскоростной визуализации получено, что форма удлиненного газового пузыря изменяется при увеличении вязкости жидкости и наблюдается утончение пузыря в центральной части и его дробление. Выявлено, что режимы течения для указанных смесей и их статистические характеристики в вертикальном и горизонтальном микроканалах практически совпадают. С использованием метода LIF получены новые результаты по определению локальной толщины пленки жидкости и распределения фаз в поперечном сечении канала для течения смеси 25% массовый водный раствор глицерина –азот и этанол – азот. Обнаружено преимущественное стягивание жидкости в углы канала и волновое течение в области мениска на короткой стороне канала, измерена толщина пленки жидкости и определены размеры мениска на короткой стороне канала. Численные расчеты на основе математической модели кольцевого течения подтвердили преимущественное течение жидкости в менисках на короткой стороне канала. Экспериментально исследован теплообмен при кипении воды и хладона R134a в условиях недогрева на гладкой и наномодифицированной поверхности микроканального охладителя при предельных массовых скоростях и тепловых потоках. Разработаны перспективные методы наномодификации поверхности микроканальной системы охлаждения с поперечным размером микроканалов 300x2000 мкм с использованием электрохимического композитного покрытия на основе наноразмерных частиц оксида кремния Aerosil A200 при сопутствующей ультразвуковой обработке. Получены зависимости температуры стенки от теплового потока при кипении воды в микроканальном теплообменнике с гладкими микроканалами в широком диапазоне массовых скоростей и тепловых потоках до 600 Вт/см2. Обнаружено повышение критического теплового потока для преждевременного кризиса теплообмена по сравнению с известными данными вследствие применения мероприятий для более полной конденсации пара в распределительной камере. Выявлено, что при массовой скорости больше 400 кг/м2с происходит смена механизма кризиса кипения и значительный рост достижимой плотности теплового потока. Подобное изменение динамики температуры стенки при кипении воды в условиях недогрева в микроканалах ранее не наблюдалось и вызвано переходом к пульсирующей полной конденсации пара из-за сохранения достаточного недогрева в распределительной камере. Определена зависимость критического теплового потока от массовой скорости при кипении воды в условиях недогрева для давления на выходе из микроканалов, близкого к атмосферному давлению. Обнаружено, что наномодификация внутренней поверхности микроканалов композитным материалом с наночастицами оксида кремния приводит к значительной интенсификации теплообмена и увеличению критического теплового потока в области пузырькового кипения. Получено, что предлагаемая наномодификация поверхности приводит к значительному (до 3х раз) увеличению критического теплового потока при кипении хладона R134a в микроканальной системе охлаждения. Полученные результаты имеют существенную новизну и выявляют условия смены механизма кризиса кипения воды и хладонов в условиях недогрева в микроканальных системах охлаждения и значительного роста критического теплового потока при электрохимической наномодификации поверхности микроканалов оксидом кремния. Получены закономерности динамики фазового взрыва микрообъемов воды, пропанола-1, изопропилового спирта (пропанола-2) и нонана при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами с использованием многослойного микронагревателя, покрытого наноразмерным танталовым слоем. Показано, что для всех исследованных жидкостей, на начальной стадии взрывного кипения пузырьки неравномерно распределены на поверхности нагревателя, их число мало и в момент зарождения пузырьков наблюдается излучение расходящихся волн давления. По мере роста температуры число пузырьков возрастет и на заключительной стадии взрывного кипения поверхность нагревателя покрыта облаком пузырьков, которые в дальнейшем объединяются, формируя сплошную паровую пленку. На основе результатов численного решения уравнения теплопроводности для многослойного нагревателя и измерений времени начала взрывного кипения выявлены зависимости температуры начала взрывного кипения воды, воды, пропанола-1, изопропилового спирта (пропанола-2) и нонана от скорости роста температуры. Принципиально новым полученным результатом является обнаруженное понижение температуры начала взрывного кипения при наноструктурировании поверхности нагревателя по сравнению с температурой начала взрывного кипения на нагревателе с гладкой поверхностью, которая определяется температурой предельного перегрева, полученной в работах академика В.П. Скрипова. Полученные результаты по временам кипения исследованных жидкостей в зависимости от плотности теплового потока и временам инициации взрывного кипения для исследованных жидкостей определяют влияние скорости роста температуры жидкости на характеристики взрывного кипения. Обнаруженное снижение температуры инициации кипения по сравнению с температурой предельного перегрева показывает определяющее влияние гетерогенного механизма зародышеобразования на наноструктурированной поверхности и обосновывает методы управления взрывным кипением при наличии организованной наноструктурной поверхности. На основе экспериментального определения времени начала кипения и анализа морфологии наноструктурированного слоя тантала обоснован гетерогенный механизм зародышеобразования и численно определены закономерности взрывного кипения в рамках представленной в отчете по гранту за 2016 год математической модели. Достаточно хорошее согласие численного расчета и эксперимента показывает достоверность разработанного метода расчета взрывного кипения на наноструктурированной поверхности микронагревателя.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Рассматриваемая в проекте задача разработки научных основ и развития методов управления процессами тепломассообмена при высокоинтенсивных фазовых переходах и химических реакциях в мини- и микроканалах предполагает изучение многомасштабных гидродинамических и тепловых процессов при двухжидкостных и газожидкостных течениях в микроканалах, фазовых и химических превращений в условиях вынужденной конвекции и динамики фазового взрыва микрообъемов жидкости со скачкообразным изменением плотности вещества при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами. План работ 2018 года включал пять взаимосвязанных блоков экспериментальных и расчетных исследований, направленных на решение задач проекта. Выполнена серия запланированных экспериментов и установлены закономерности гидродинамики течения несмешивающихся наборов жидкостей с низким и высоким отношением вязкостей в серпантинных микроканалах Т-формы с гидравлическим диаметром Dh = 266 мкм, построены карты режимов течения, измерены поля скорости и определена циркуляция внутри снарядов. Выявлено, что форма снарядов при течении несмешивающихся жидкостей с экстремально низким отношением вязкостей в микроканале Т-типа описывается безразмерным параметром Qd/Qc*Cabulk, ранее предложенным в проекте для описания структуры течения внутри снарядов. Экспериментально установлены закономерности изменения длины и скорости снарядов в криволинейных микроканалах с различными радиусами кривизны, выявлено, что суммарная циркуляция внутри снарядов зависит линейно от указанного безразмерного критерия. Проведены численные расчеты двухкомпонентных жидкостных и двухфазных течений в серпантинных микроканалах при параметрах, соответствующих условиям экспериментов. Установлено, что при течении несмешивающихся жидкостей в серпантинных микроканалах при уменьшении радиуса кривизны микроканала безразмерная длина снарядов в нем увеличивается. Для ривулетного режима течения в искривленном канале впервые обнаружен отрыв ривулета от стенки серпантинного канала, в отличие от прямолинейного канала, где ривулет дисперсной фазы всегда движется по стенке. С использованием методов лазерного сканирования и лазерной индуцированной флюоресценции получены приоритетные результаты по выявлению тонкой структуры течения смесей азот-дистиллированная вода и 40% массовый водный раствор этанола-азот, определено распределение фаз в поперечном сечении канала. Установлены границы режимов течений, построены карты режимов и получены распределения длин газовых пузырей и перемычек жидкости. Разработана схема организации низкотемпературного синтеза Фишера-Тропша при прямоточном газожидкостном течении жидких продуктов реакции (высококипящего растворителя) и синтез-газа в микроструктурированном реакторе/теплообменнике с поверхностной интенсификацией процессов тепломассообмена. Разработаны методы интенсификации химических реакций, основанные на синтезе более активного кобальтового катализатора и управлении температурным режимом, разработаны методы управления конверсией и селективностью реакций. Выявлено, что при росте объемной скорости конверсия оксида углерода уменьшается и селективность образования метана возрастает, но массообменные ограничения не имеют определяющего значения вследствие высоких коэффициентов теплообмена в микроканалах. Образование жидких и твердых парафинов в реакторе подтверждено анализом содержимого конденсатора-сепаратора и поверхности катализатора после экспериментов. Установлены закономерности динамики взрывного кипения в бинарном растворе изопропанол-вода при высокоэнергетическом воздействии тепловыми импульсами с использованием многослойного микронагревателя, покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем и наноразмерным танталовым покрытием при скорости роста температуры до 600 МК/c и эффективной плотности теплового потока до 800 кВт/см2. Получены принципиально новые результаты, выявляющие влияние характеристик поверхности и наличия участков с пониженной поверхностной энергией, скорости роста температуры жидкости и концентрации легколетучего компонента на характеристики взрывного фазового перехода в бинарном растворе, который не подчиняется в полной мере законам Рауля и Генри. Выявлено влияние наноструктурирования поверхности на характеристики взрывного кипения бинарного раствора изопропанол-вода, получено снижение порога возникновения взрывного кипения и увеличение скорости образования пузырьков при увеличении концентрации изопропанола.