Особенности тепломассообмена капель жидкостей при взаимодействии с перегретыми мезоструктурными и наноструктурированными поверхностями

• Автор: Романов, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 165 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕПЛОМАССООБМЕНУ
ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМОВ ЖИДКОСТИ
1Л. Режимы до температуры Лейдеифроста (испарение лежащей
капли)
1.2. Эффект Лейдеифроста, Общие представления
1.3. Режимы Лейдеифроста и различных условиях
1.3.1. Температура (точка) Лейдеифроста - 7)
1.3.2. Влияние материалов и морфологии поверхности нагрева
1.3.3. Другие особенности режима Лейдеифроста
1.3.4. Влияние внутренней морфологии (мезо- и наномасштабы)
1.3.5. Геометрия и свойства парового слоя
1.3.6. Неустойчивые режимы эффекта Лейдеифроста
1.4. Динамический эффект Лейдеифроста
1.5. Геометрически неоднородные поверхности
1.6. Модели эффекта Лейдеифроста
1.7. Выводы и постановка задач исследовании
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБРАЗЦЫ И ПРИБОРЫ
2.1. Используемые подложки и образцы
2.2. Рабочие 'жидкости
2.3. Наблюдаемые режимы испарения капель
2.4. Методы измерений
2.5. Погрешности измерений
Выводы к главе
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Измерения углов смачивания
3.2. Процессы испарения и кипения ограниченных объемов жидкостей
3.3. Температура Лейдеифроста для исследованных поверхностей и жидкостей
3.4. Инфракрасные измерения динамики испарения и кипения
3.5. Кипение и неустойчивость режима Лейдеифроста на
наноструктурной поверхности алюминия
Выводы к главе
ГЛАВА 4. МОДЕЛИ ИСПАРЕНИЯ И КИПЕНИЯ КАПЕЛЬ НА
ПЕРЕГРЕТЫХ МЕЗОСКОПИЧЕСКИХ И
НАНОСТРУКТУРИРОВАНМЫХ ПОДЛОЖКАХ
4.1.Общие уравнения и приближения для режима Лейдеифроста
4.2.Модели тепломассообмена в эффекте Лейдеифроста
4.3. Модель срыва режима Лейдеифроста
4.4.Модель взрывного вскипания на наноструктурированных
поверхностях
Выводы к главе
Общие выводы
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Развитие многих направлений фундаментальной науки и индустриальных приложений требует глубоких и всесторонних исследований процессов тепломассообмена в различных условиях. Особый интерес сегодня вызывают различные системы охлаждения энергетического оборудования (лопатки турбин, суперконденсаторы, литий-ионные и литий-полимерные батареи, другие системы хранения энергии, системы криостабилизации сверхпроводящих магнитов, аварийные режимы работы реакторов и т.п.), микро- и наноэлектроника (микрочипы, блоки памяти, блоки обработки видеоинформации и т.д.), оптоэлектроника (полупроводниковые лазеры, мощные светодиоды), мощные серверы в датацептрах («облачные» технологии) и т.д. Среди многих возможных технологий охлаждения в последнее время все большее внимание привлекает старая, но как оказывается вполне эффективная и надежная система струйного охлаждения. При этом возникает необходимость изучения процессов интенсивного теплообмена, поскольку при достаточно больших тепловых потоках всегда возникает наряду с жидкой, и паровая фаза, и развиваются процессы испарения и кипения.
Данная диссертационная работа посвящена изучению тепломассообмена ограниченных объемов жидкости (капель) при их взаимодействии с перегретыми твердыми подложками из различных материалов, включая подложки с мезоскопической и наноструктурной морфологией.
Ранее исследования в указанной области тепломассообмена
ограниченных объемов жидкости с перегретыми поверхностями активно
исследовались в классических работах отечественных и зарубежных ученых
(Боришанский, Кутателадзе, Стырикович, Лабунцов, Ягов, Крюков,
Накоряков, Покусаев, Кузма-Кичта, Зейгарник, Ивочкин, Берглес, Мудавар,
Готтфрид, Эммерсон, Баумайстер и т.д.). Несмотря на результаты,
полученные указанными авторами, в последнее время интерес к данным

пленки при помощи текстурированной поверхности и режиме Лейденфроста). На обычных супергидрофобных поверхностях при понижении температуры система переходит в режим пузырькового кипения, переход носит взрывной характер. На текстурированных поверхностях, паровая прослойка постепенно релаксирует до полного охлаждения поверхности, без проявления режима пузырькового кипения. Результаты свидетельствуют о важности топологической текстуры на супергидрофобных материалах в стабилизации и контролировании паровой пленки и переходах жидкость - пар на горячих поверхностях. Потенциально, эта концепция может быть использована для контролирования других фазовых переходов, таких как, образование льда или инея, а также для создания поверхностей с низким коэффициентом сопротивления в которых паровая фаза стабилизируется в канавках текстуры без дополнительного нагрева.
Известно, что свойства поверхности такие как смачиваемость и шероховатость способны влиять на переходы между пленочным и пузырьковым режимом кипения [39-42]. Из-за низкой теплопроводности пленки пара тепловой поток от поверхности драматически уменьшается, поэтому традиционно усилия направлены на увеличение температуры перехода к пленочному режиму кипения [17]. Однако, если паровой слой используется для понижения гидродинамического сопротивления [49,50], то понижение температуры перехода оказывается выгодным. Присутствие паровой пленки в режиме Лейденфроста, может снизить силу гидродинамического сопротивления разогретой сферы движущейся в жидкости на 85% [94].
Ранее сообщалось [42], что «суперводоотталкивающие» поверхности могут подавлять начало пузырькового кипения. В данной статье показано, что текстурированные супергидрофобные поверхности могут устранить коллапс паровой пленки, таким образом, делая возможным поддержание стабильной пленки при любых температурах выше точки кипения жидкости.