Тепломассоперенос в микрофлюидных системах со структурированными поверхностями

В последние годы в электронной промышленности активно развивается производство трехмерных чипов, где несколько подложек с электронными компонентами устанавливаются параллельно на расстоянии в 50–100 мкм, отвод тепла, в связи с трехмерностью структуры, усложняется. Этим обусловлен высокий интерес инженеров к разработке жидкостных микромасштабных охлаждающих систем. Интеграция теплообменников в чипы дает возможность приблизить микроканалы к конкретным сильно нагретым областям чипа, обеспечивая более эффективное охлаждение. Для разработки таких систем требуется детальное понимание гидродинамических процессов в микроканалах. Структура микроканалов имеет определяющее значение, так как она должна обеспечить и максимально возможную поверхность теплопередачи, и приемлемые гидродинамические потери. При движении жидкостей по микроканалам существенное влияние на гидродинамические параметры потока оказывает взаимодействие жидкости с поверхностями. Улучшение теплопередачи путем модификации поверхности может повысить эффективность энергетических систем и устранить узкие места в области терморегулирования в электронике. Поэтому в рамках данного проекта планируется реализовать подход к микроструктурированию поверхности с использованием плазмохимического травления и исследовать его влияние на интенсификацию теплообмена в кремниевых каналах сложной внутренней структуры с результирующим гидравлическим диаметром, не превышающим 100 мкм. Основной целью проекта является решение актуальной задачи исследования влияния распределения элементов различных структур внутри плоского микроканала и модификации поверхности с помощью микроструктурирования на гидродинамические характеристики и интенсификацию теплообмена системы. Численно и экспериментально будет рассмотрено влияние введения нескольких масштабов упорядочения столбиков в плоском микроканале, а также применения микроструктурированного покрытия на теплообмен в микрофлюидной системе. В результате будут выявлены наиболее оптимальные конфигурации микроканальной структуры для минимизации перепада давления, поскольку это определяет мощность, затрачиваемую на прокачку жидкости. Достижение цели проекта позволит разработать универсальные методы повышения эффективности тепло- и массопереноса в микрофлюидных системах, основанные на целенаправленном воздействии на поток и изменении свойств поверхности. Экспериментальная база проекта основывается на современных методах с использованием высокоскоростных камер, методов оптической и атомно-силовой микроскопии, технологии производства интегрированных микроустановок на основе микрожидкостных устройств, созданных при помощи технологии “lab-on-a-chip”. Измерения будут проведены с использованием многоточечных температурных измерений, термометрии с использованием флуоресцентных материалов. Чтобы дополнить фундаментальное понимание основных механизмов процесса с учетом более обширных вариаций параметров необходимо развитие и комбинация различных численных методов и подходов. Комплексное решение вычислительных задач проекта будет реализовано как за счет применения ускоренного метода граничных элементов для осуществления трехмерных расчетов в микроканалах сложных несимметричных форм, так и с использованием пакетов прикладных программ (OpenFOAM, SigmaFlow, и т.д.). Новизна и высокая научная значимость поставленного проекта заключаются в том, что впервые предлагается выполнить комплексное исследование повышения эффективности процесса теплообмена и режима течения в описанных микроканальных системах в условиях высокой локализации управляемого воздействия и выявить степень их влияния в интегрированном процессе. Предлагаемые в проекте подходы для управления процессами теплообмена в микроканалах имеют широкие перспективы применения в современной электронной промышленности.