Аналитическое, численное и экспериментальное исследование тепло- и массообмена на модифицированных на микро- и наномасштабе поверхностях при кипении в различных гидродинамических условиях

Режимы кипения широко применяются во многих современных технологиях. Модификация поверхности нагрева является одним из ключевых методов интенсификации теплообмена. Интенсифицирующие поверхности, модифицированные на микро- и наномасштабах, начинают применяться в современных теплонапряженных элементах, таких как микротепловые насосы, при охлаждении чипов процессоров и т. д. Однако механизмы кипения нуждаются в дальнейшем углубленном изучении, что связано с многофакторной природой процесса кипения, в первую очередь, это относится к кипению на модифицированных поверхностях. Данный проект предусматривает проведение комплексного экспериментального изучения и численного моделирования процесса тепло- и массопереноса при кипении на микро/наноразмерных модифицированных поверхностях при различных гидродинамических условиях. Объектами экспериментального блока исследований являются: а- процессы кипения в большом объеме диэлектрических жидкостей на капиллярно-пористых микро/наноразмерных модифицированных поверхностях; б- кипение в пленках фреонов, стекающих по микроструктурированным поверхностям, созданным с помощью 3D-печати. Сотрудничество с китайским коллективом, использующим при проведении исследований современные передовые подходы и методы численного моделирования (методы VOF, LBM, методы глубокого машинного обучения (ML) оптимизации при проведении исследований по оптимизации топологии трехмерных конструкций с применением искусственных нейронных сетей (ИИ)), позволит участникам проекта на основе рассмотрения теоретических аспектов проблемы, проведения численного моделирования обоснованно давать конкретные рекомендации по конструированию, модифицированию теплоотдающей поверхности, задавать российским партнерам при проведении ими экспериментальных исследований оптимальные геометрические, морфологические параметры поверхностных структур для заданных режимных параметров. Проведение численных расчетов интегрального теплообмена при кипении в пленках, стекающих по микроструктурированным поверхностям, и моделирование капиллярного смачивания модифицированных на микронаномасштабах поверхностей даст возможность сравнивать результаты численного моделирования с экспериментальными результатами, получаемыми российским научным коллективом на начальных этапах реализации проекта, учитывать рекомендации по наиболее эффективным параметрам создаваемых поверхностных структур, полученные на основе проведения численного моделирования, на последующих этапах планирования и выполнения экспериментальных исследований. Будут совместно использованы методы искусственного интеллекта (ИИ) для дальнейшей оптимизации геометрии микронаноструктурированных поверхностей кипения, напечатанных на 3D-принтере или создаваемых с помощью лазерной абляции/литографии, после сбора и обработки достоверных наборов экспериментальных и расчетных данных. Проведение китайскими партнерами по данному проекту численного моделирования процессов кипения, использование результатов теоретического решения ряда рассматриваемых ими подмоделей будет важным и реально недостающим на сегодня инструментом для физически обоснованного выбора параметров конструрируемых инженерных поверхностных структур для интенсификации теплообмена при кипении с помощью модифицирования теплоотдающей поверхности в различных гидродинамических условиях. Организация и проведение вышеуказанных комплексных исследований с учетом возможностей и компетенций двух научных коллективов дадут возможность существенно сократить и оптимизировать количество экспериментальных серий для достижения намеченных целей по разработке высокоэффективных методов интенсификации теплообмена и повышения критического теплового потока при кипении на модифицированных на микро/наномасштабе поверхностях с использованием современных методов 3D-печати, лазерной абляции/литографии и с учетом особенностей развития процессов кипения при варьировании режимных параметров.