Теплофизика мини, микро и космических систем, включая фундаментальные основы технологий создания совершенных монокристаллов и пленок

Отчет на 78 стр., 54 рис., 36 источников Теплофизика мини, микро и космических систем, включая фундаментальные основы технологий создания совершенных монокристаллов и пленок Перечень ключевых слов: ТЕПЛООБМЕН, КОНВЕКЦИЯ, ИСПАРЕНИЕ, КОНДЕНСАЦИЯ, МИКРОКАНАЛ, ЛОКАЛЬНЫЙ НАГРЕВ, ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА, ЛЕВИТИРУЮЩИЕ МИКРОКАПЛИ ЖИДКОСТИ, ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ, ПОРИСТАЯ СРЕДА. Настоящий промежуточный отчет содержит описание основных результатов, полученных в рамках бюджетного проекта № 0257-2021-0003 «Теплофизика мини, микро и космических систем, включая фундаментальные основы технологий создания совершенных монокристаллов и пленок». Проект выполнялся на базе Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН с января 2021 года по декабрь 2021 года. Проект направлен на изучение теплообменных процессов, происходящих в газо-жидкостных системах, имеющих характерные размеры мини-, микро- и нанометры. К характерным масштабам относятся размеры каналов, элементов структурированной поверхности, толщина жидкой пленки, размер микропузырьков и капель. Объектами исследования являются двухфазные течения в микроканалах, испаряющиеся капли воды, массивы левитирующих микрокапель, технологии создания совершенных монокристаллов, термокапиллярные структуры, возникающие в стекающей пленке жидкости. При выполнении проекта получены экспериментальные данные, позволяющие определить основные особенности двухфазного течения в микроканалах. В микроканалах высотой 50 -300 мкм обнаружен новый режим – мостико-капельное течения двухфазного потока. Мостики представляли собой вертикальные перемычки между пленками жидкости, расположенными на нижней и верхней сторонах канала. Исследованы механизмы их формирования. Установлено, что с увеличением расходов газа и жидкости мостики (капли) начинают деформироваться, а затем разрушаться. Определены критические числа Вебера, характерные для деформации и разрушения мостиков - капель. Предложена новая классификация режимов двухфазного течения в микроканалах на основе полученных экспериментальных данных. Разработана технология создания наномодифицированных покрытий путем синтеза массивов ориентированных микроканатов и коконоподобных микроструктур из нанопроволок оксида кремния на медном основании с барьерными слоями оксида 5 кремния (SiO2), молибдена (Mo) и вольфрама (W). Наилучшую устойчивость и технологическую применимость в экспериментах показала поверхность меди, покрытая слоем вольфрама. Разработан эффективный вариант охлаждения CVD-алмазного окна в Рабочей станции синхротрона СКИФ поколения «4+» с помощью мини-каналов, при котором максимальная температура алмазной пластины (342.6OC) и тепловые деформации (842.7 МПа) с запасом не превышают предельных значений для температуры (500OC) и предела прочности (1200 МПа). Для снижения контактных сопротивлений и вакуумного уплотнения предложено использовать жидкометаллические пленки. Проведены экспериментальные исследования по левитации микрокапель над поверхностью нагретого слоя жидкости. Получены зависимости для размера левитирующих микрокапель и расстояния между ними в широком диапазоне основных параметров эксперимента. Установлено, что в процессе конденсационного роста, капли увеличиваются линейно со временем, при этом для каждой температуры существует минимальный и максимальный размер левитирующих капель. С ростом влажности окружающего воздуха скорость роста капель незначительно уменьшается. Разработан код для расчета течения газа вокруг левитирующей микрокапли с условным квадратным сечением на основе прямого статистического моделирования методом Монте-Карло. Численно методом конечных разностей исследована гидродинамика и конвективный теплообмен в режимах смешанной конвекции гептадекана в методе Чохральского. Расчеты выполнены при фиксированной скорости вращения кристалла, при относительном радиусе RT/RK = 2.76; в диапазоне относительных высот слоя гептадекана 0.2 ≤ H/RT ≤ 1.0 с шагом через 0.1. Изучена эволюция пространственной формы течения, полей скорости и температуры, зависимости радиальных распределений локальных тепловых потоков от относительных высот слоя гептадекана. В данном диапазоне параметров течение имеет ламинарный, стационарный и осесимметричный характер. Методом конечных элементов в двумерной постановке проведено численное моделирование нестационарного сопряженного конвективного теплообмена в горизонтальном слое расплава гептадекана при разных толщинах нижней оргстеклянной стенки. Размеры слоя расплава заданы 200×20 мм2. Изучена эволюция пространственных форм течения, полей скорости и температуры, локальных тепловых потоков во времени. Изучено развитие пограничных слоев на нижней границе слоя и их неустойчивость. При натекании холодной жидкости на нагретые участки нижней стенки развивается неустойчивость в виде ячеек Рэлея-Бенара и термиков, сносимых к нагретой вертикальной 6 стенке. Возникновение вторичных течений сопровождается модуляцией полей температуры в обтекаемой стенке. В длинноволновом приближении разработана теоретическая модель трехмерного волнового течения неизотермической пленки, стекающей по нагреваемой стенке. Модель основана на уравнениях IBL модели, модифицированных с учетом наличия термокапиллярных напряжений на поверхности нагреваемой пленки. Линейный анализ устойчивости нагреваемой пленки относительно возмущений в поперечном к потоку направлении впервые выполнен в рамках пространственного подхода, в котором возмущение, не зависящее от времени, развивается вниз по потоку. Из линеаризованных уравнений модели получен пространственный инкремент роста возмущения. На основе разработанной модели численным методом исследовано формирование термокапиллярной ривулетной структуры в пленке, стекающей по нагревателю. Стационарная ривулетная структура рассчитана для двух типов условия нагрева, реализуемых в экспериментах: с заданной температурой стенки и с заданным тепловым потоком на стенке. Показано, что результаты численного моделирования хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Разработан конечноразностный численный алгоритм расчета двумерных и трехмерных нелинейных волн в нагреваемой пленке. Проведено экспериментальное исследование процесса переноса тепла от стенки кольцевого канала к фильтрующейся через пористую вставку жидкости при различных режимах течения; получены полуэмпирические корреляции для теплообмена в инерционном режиме фильтрации жидкости в кольцевом канале; показано, что в режиме турбулентной фильтрации теплоотдача от поверхности трубы, заполненной зернистым слоем, определяется закономерностями, присущими пристенной зоне, и подчиняется универсальному «закону двух третей».