Моделирование процесса кипения на пористых теплообменных поверхностях с контрастным смачиванием

Развитие современных технологий во многих отраслях привело к потребности отвода больших тепловых потоков одновременно с уменьшением габаритов теплообменных устройств. Это обуславливает рост интереса к системам охлаждения, основанным на кипении. Одним из наиболее популярных и эффективных методов интенсификации теплообмена и повышения критического теплового потока при кипении является модификация поверхности теплообмена. Известно, что с использованием структурированной или пористой поверхности можно добиться как увеличение теплового потока с теплообменной поверхности, так и избежать раннего кризиса кипения. Поиск оптимальной конфигурации теплообменной поверхности на основе экспериментальных исследований является достаточно трудоемкой задачей. Со стремительным развитием компьютерных технологий, методы вычислительной гидродинамики зарекомендовали себя хорошей альтернативой экспериментальным методам в изучении процессов теплоотдачи при кипении. Точное описание кипения требует детального рассмотрения следующих процессов: нуклеация паровых пузырей и плотность центров нуклеации; температурная реакция нагревателя; динамика роста, отрыва и взаимодействия паровых пузырей. Необходимо также учитывать различные механизмы теплообмена: нестационарная теплопроводность в жидкости, испарение микрослоя под пузырем и окружающей его жидкости, термокапиллярная конвекция, а также конвекция, вызванная всплытием пузырей. В настоящее время построение модели, учитывающей все эти процессы, возможно только для упрощенных случаев. Классические методы, используемые для моделирования кипения, такие как метод объема жидкости (VOF) и метод функции уровня (Level set), обладают несколькими принципиальными недостатками. Они требуют изначального задания двух фаз, то есть не могут смоделировать процесс нуклеации, дать оценку плотности центров нуклеации и времени ожидания вскипания. Это значит, что с их помощью нельзя получить кривую кипения и критический тепловой поток без использования дополнительных эмпирических зависимостей. Ситуация дополнительно усложняется при рассмотрении структурированных поверхностей. Метод решеточных уравнений Больцмана, предлагаемый в данном проекте для моделирования кипения, лишен большинства из приведенных выше недостатков. Процесс нуклеации и разделения фаз происходит в нем естественным образом. Он позволяет простым способом задавать границу произвольной формы с произвольной локальной смачиваемостью. Это дает возможность произвести полноценное прямое численное моделирование пузырькового, переходного и пленочного кипения на структурированных пористых поверхностях с неоднородной смачиваемостью, получить для них кривые кипения и изучить развитие кризиса кипения. Целью данного проекта является изучение процессов пузырькового кипения и кризиса кипения с помощью численного моделирования методом решеточных уравнений Больцмана и уравнения теплопереноса. Будет проведено параметрическое исследование процесса кипения на пористых поверхностях с различными формой и размером структур и различным контактным углом смачивания. Будет осуществлен поиск оптимальной конфигурации пористой поверхности с контрастной смачиваемостью для эффективной теплоотдачи. Такие исследования будут представлять ценность для более глубокого понимания физики кипения и внесут вклад в развитие методов численного моделирования кипения, а результаты исследования могут быть применены в прикладных исследованиях и при проектировании промышленных установок.