Комплексные исследования и разработка методов управления теплообменном и развитием кризисных явлений в условиях спрейного и микроструйного охлаждения для создания высокоэффективных и компактных систем термостабилизации.

В настоящий момент спрейное и микроструйное охлаждение с кипением теплоносителя, в том числе в стеснённых условиях, рассматривается как один из наиболее перспективных методов для разработки новых высокоэффективных компактных систем термостабилизации для современных высокомощных лазеров, светодиодов (LEDs), радаров и полупроводниковых чипов различного назначения. Это связано с возрастающей мощностью тепловыделения с поверхности микрочипов (в данный момент она может достигать до 10 МВт/м2) из-за роста производительности процессоров и ограничениями по теплоотводу традиционных конвективных и погружных систем охлаждения. Анализ многообразия явлений, возникающих при кипении жидкости в пленке, формируемой при газо-капельном охлаждении, показывает, что теоретическое моделирование данного процесса является крайне сложной задачей. Поэтому в настоящий момент нет общепринятого подхода для описания интенсивности теплообмена при кипении при спрейном охлаждении. Более того достаточно слабо изучены локальные характеристики парообразования в условиях непрерывного капельного орошения свободной поверхности плёнки жидкости. Поэтому одной из основных целей настоящего проекта является комплексное экспериментальное исследование локальных и интегральных характеристик кипения, включая эволюцию паровых пузырей, плотность центров и частоту парообразования, и интенсивность теплообмена с использованием высокоскоростных методов визуализации, ИК-термографии и специальной конструкции прозрачного тепловыделяющего элемента. Это позволит определить взаимосвязь между локальными характеристиками процесса парообразования, параметрами спрея и интенсивностью теплообмена и выявить определяющие механизмы теплопереноса при охлаждении с использованием газо-капельных потоков. Другой задачей проекта является разработка методов интенсификации теплообмена и повышения критических тепловых потоков при спрейном и микроструйном охлаждении. На сегодняшний момент одними из наиболее популярных методов повышения эффективности кипения жидкости, в том числе при газо-капельном охлаждении, являются пассивные методы, основанные на модификации поверхности теплообмена на микро/наномасштабе. Однако одним из главных недостатков такого подхода является то, что он не может быть использован в ряде технологий, особенно в области микроэлектроники. Дело в том, что большинство методов модификации поверхности реализуются либо при высоких температурах, либо при ударных газо-динамических режимах способных разрушить микрочип на этапе структурирования. Альтернативным способом увеличения эффективности кипения и повышения критических тепловых потоков является управление параметрами двухфазных потоков: расходом жидкости, характерным размером и скоростью капель, типом теплоносителя. В данном проекте предлагается принципиально иной метод управления теплообменном и развитием кризисных явлений в условиях спрейного охлаждения, основанный на управлении толщиной горизонтального слоя жидкости. Известно, например, что управляя толщиной горизонтального слоя можно существенно повысить критический тепловой поток по сравнению с кипением жидкости в условиях свободной конвекции. Однако, данная гипотеза при формировании плёнки жидкости заданной толщины за счёт газо-капельного потока и специальных рабочих секций в условиях непрерывного капельного орошения поверхности горизонтального слоя жидкости требует проверки и в такой постановке эта задача будет решена впервые. Для создания компактных систем охлаждения, основанных на микроструйном и спрейном орошении, требуются исследования процессов в стеснённых условиях. В проекте будет уделено особое внимание данной задаче. При микроструйном и спрейном охлаждении, организованном в стесненных условиях, большой вклад в интенсификацию теплообмена будут вносить испарение с линии контакта трех фаз в процессе парообразования в замкнутом пространстве. Для организации эффективного теплоотвода с минимизацией массогабаратных характеристик системы требуется тщательное изучение и управление течением. Для исследований в данном направлении будут использованы современные методики измерений с высоким временным и пространственным разрешениями такие как измерение температур с помощью платиновых микротермометров сопротивления, а также использование оптических систем с большой глубиной резкости. Решение вышеперечисленных актуальных проблем приведёт не только к новым фундаментальным знаниям о динамике фазовых превращений при кипении жидкости при спрейном и микроструйном охлаждении, но и поможет разработать теоретические модели для описания интенсивности теплообмена и критических тепловых потоков в широком диапазоне изменения режимных параметров. Практическая значимость решения заявленной проблемы заключается в создании научно-технических основ применения двухфазных потоков для разработки новых высокоэффективных систем термостабилизации для широкого спектра приложений, включая высокопроизводительные вычислительные комплексы.