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

В рамках Проекта № 121031800213-0 «Теплофизика мини, микро и космических систем, включая фундаментальные основы технологий создания совершенных монокристаллов и пленок» в 2024 году выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований, направленных на разработку фундаментальных основ новых методов охлаждения высокопроизводительных электронных систем, технологических процессов роста кристаллов из расплавов и растворов в расплавах, новых способов интенсификация теплообмена в микроразмерных системах, комплексное экспериментальное и численное исследования процессов тепломассопереноса в мини и микро каналах, левитирующих и сидящих каплях жидкости. Были получены следующие основные результаты: Выполнены эксперименты по исследованию процесса кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении на поверхностях с канавками (открытыми микроканалами) полученными методом лазерной абляции и гидрофобизированными посредством хемосорбции фторированного метоксисилана из паров при температуре 100-110 С. Использовались поверхности с массивами параллельных канавок, а также с массивами пересекающихся под прямым углом канавок (сетки канавок с квадратными ячейками). Выполнен анализ экспериментальных данных, сравнение с литературными и ранее полученными данными. Исследовано влияния размеров и расположения гидрофобных областей на интенсивность теплообмена при кипении. Показано, что основным параметром, определяющим интенсивность теплообмена для поверхности с массивом параллельных канавок является шаг между ними. Для сеток канавок это также справедливо, но только для больших значений теплового потока. Удаление гидрофобизатора из канавок приводит к значительному уменьшению интенсивности теплообмена. Сравнение результатов этого исследования с ранее полученными данными для массивов гидрофобных каверн и для массивов гидрофобных круглых пятен на плоской поверхности показало, что все эти бифильные поверхности обеспечивают интенсификацию теплообмена по сравнению с плоской гладкой поверхностью. Для всех этих поверхностей характерна сильная зависимость от шага между гидрофобными областями. А максимальный эффект по теплообмену получен на поверхностях с 3D бифильностью, а именно на массивах микрокаверн и массивах пересекающихся канавок (сеток канавок с квадратными ячейками). Получена аналитическая формула для определения значения длины проскальзывания в зависимости от геометрии структур, угла выступа пузыря и соотношения вязкостей газа и жидкости. Данная формула основана на двумерной упрощенной задаче совместного движения жидкости и газа в канавках структурированной поверхности микроканала. Физико-математическое моделирование трехмерного нестационарного сопряженного тепло- массо- обмена в охлаждаемом оптическом устройстве строящегося СКИФ выявило резервы, позволяющих предотвратить аварийные ситуации вследствие локального перегрева CVD-алмазной фольги. Изучены возможные конструкции мини- каналов, обоснована простая схема мини- канальной системы, обеспечивающая отсутствие внутренних температурных напряжений при штатной работе с сохранением долговременной стабильности кристаллической структуры фольги. Конструктивная схема готова к использованию. Изучено поведение системы при снижении напора и расхода охлаждающей воды, вплоть до аварийной остановки насосной станции. Установлено, что температура в жидком металле может возрасти на 37° С, что вызовет увеличение диффузии его компонент в медный фланец и алмазную фольгу Это требует применения защитных покрытий для предотвращения разрыва фольги. Представлена конкретная технологическая рекомендация для системы охлаждения оптики. Моделирование показало, что кипения и иных разрывов течения в мини- канальной системе не возникает. Это гарантирует отсутствие значимых вибраций, передающихся от потока воды в оптическое устройство. Проведена проверка возможности возникновения конкретной эксплуатационной проблемы оптической системы. С использованием оптической системы сверхвысокого пространственного разрешения (до 200 нм), впервые исследована левитация микрокапель воды размером порядка 1 мкм, левитирующих над жидкой и твердой поверхностью, при температуре ниже 50 ℃. Проведены расчеты течения газа вокруг левитирующей микрокапли воды в двухмерной постановке на основе прямого статистического моделирования методом Монте-Карло над сухой поверхностью. Исследовано влияние высот слоя расплава гептадекана (Pr = 40.35) на гидродинамику и конвективный теплообмен в режимах смешанной конвекции при фиксированном перепаде температуры между стенками тигля и ФК, соответствующем значениям чисел Грасгофа и Марангони Gr = 1215, Ma = 2930 в диапазоне относительных радиусов 1,5 ≤ RТ/RК ≤ 3,0 при относительной высоте H/RT= 1.5. Режимы смешанной конвекции реализованы при равномерном вращении кристаллов с заданной скоростью, соответствующей значению числа РейнольдсаRe = 95. Получены новые данные о гидродинамике расплава, о полях температуры и скорости, о локальном и интегральном теплообмене. Показано как меняется пространственная форма и интенсивность течения, режимы обтекания модельного фронта кристаллизации, радиальные распределения локальных тепловых потоков, которые будут определять формы фронтов кристаллизации. Результаты могут использоваться для определения оптимальных технологических процессов при выращивании оксидных монокристаллов, например, галлий гадолиниевого граната и ортогерманата висмута, при создании современного ростового оборудования и поиска методов управления гидродинамикой расплавов и режимами теплообмена на этапах разращивания кристаллов до заданного диаметра. Получены новые данные о сценариях многостадийных переходов к турбулентности в условиях значительного влияния сил плавучести и термокапиллярного эффекта на формирование пространственно-временной структуры течений неизотермических жидкостей в горизонтальных слоях с продольным градиентом температуры. Методом конечных элементов проведены численные исследования развития конвективного течения и сопряженного теплообмена в двухслойной системе гептадекан-воздух. Расчеты выполнены с использованием пакета программ собственной разработки. Решалось система нестационарных безразмерных уравнений свободной конвекции в переменных функция тока, вихрь скорости и температура. Высота слоя гептадекана 20мм, длина 200мм, высоты слоев воздуха 20 и 40 мм. Вертикальные стенки слоя воздуха задавались или изотермическими или адиабатическими. Продольный градиент температуры задавался за счет внезапного увеличения температуры левой вертикальной стенки полости на 20К и сохранения начальной температуры системы на правой торцевой вертикальной стенке. Исследовано развитие неустойчивости пограничного слоя на нижней границе слоя гептадекана и влияние граничных условий для слоя газа на сопряженный теплообмен в двухслойной системе. Проведено экспериментальное исследование динамики парового пузыря, всплывающего в кольцевом канале, состоящим из двух стеклянных трубок диаметрами 25 и 16 мм и в круглом канале диаметром 16 мм. Эксперименты проводились с водой и 58% водным раствором LiBr. Начальные условия для пузыря Тейлора варьировались в зависимости от высоты жидкости в трубке и температуры перед вскипанием. Исследование показало, что скорость всплытия пузырька и скорости перемещения головки и дна паровой полости в вертикальных каналах существенно отличаются друг от друга. Это связано с особенностями распределения температуры жидкости на границе пузыря Тейлора по высоте и по времени. При этом режимы всплытия определяются величиной отклонения температуры жидкости от температуры насыщения. В результате исследования было показано, что возможно развитие нескольких сценариев всплытия паровой полости в вертикальных каналах. Определены условия возникновения различных режимов всплытии парового пузырька, которые наблюдаются в экспериментах. Данные по термокапиллярному разрыву горизонтального слоя жидкости для шести рабочих жидкостей и различных условий эксперимента впервые обобщены единой корреляционной зависимостью. Получена осесимметричная поверхность для пленочной конденсации пара, на которой движущаяся под действием градиента капиллярного давления пленка конденсата имеет постоянную толщину при постоянном перепаде температуры между стенкой конденсатора и температурой насыщения. Подобные поверхности впервые получил Грегориг в 1954 г. для продольного оребрения поверхностей конденсаторов. В данном, осесимметричном случае впервые было найдено однопараметрическое семейство образующих кривых для таких поверхностей с точностью до масштаба. Образующая кривая является решением задачи Коши для системы ОДУ, состоящей из 4-ех уравнений первого порядка. Сама кривая является спиралью с изменением направления закрутки. Параметр, задающий семейство образующих кривых, однозначно определяет поворот кривой в точке перегиба. Для каждого значения поворота образующей кривой в точке перегиба такая кривая единственна с точностью до масштаба. Применение таких поверхностей возможно в паровых камерах, предназначенных для охлаждения смартфонов.