Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0038

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0038
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Создание научно-технического задела для высокоэффективных капельных охлаждающих систем
Докладчик
Гатапова Елизавета Яковлевна / Кабов Олег Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание научно-технического задела для высокоэффективных капельных охлаждающих систем. Развитие сотрудничества с иностранным партнером.
Проект направлен на решение актуальной задачи – создание научно-технического задела для высокоэффективных капельных охлаждающих систем, позволяющих при минимальной массе и объёме отводить высокие плотности теплового потока, в том числе и при относительно низкой разности температур между теплоотдающей поверхностью и стоком тепла.
Задачей проекта является создание технологии для формирования организованных пристенных капельных течений жидкости в микро- и миниканалах с целью существенной интенсификации теплообмена и эффективного охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением.
Будут решаться вопросы: 1) создание цепочек капель 2) взаимодействие между каплями 3) карта режимов течения в зависимости от расходов жидкости и газа 4) управление цепочками с помощью изменения высоты канала, свойств смачивания стенок канала.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время необходимость отведения высоких тепловых потоков ограничивает развитие целого ряда отраслей техники, например, создание производительных смартфонов, увеличение мощности бортовой электроники космических аппаратов, создание новых высокопроизводительных вычислительных процессоров, создание высокоскоростного железнодорожного транспорта, создание гибридных автомобилей и электромобилей.
Глобальная идея проекта - совместить движение сидящих капель с газовым потоком, так чтобы была возможность управлять течением капель, сделать теплообменные устройства с использованием капель более технологичными, надежными и дешевыми в изготовлении. Управление течением капель предполагается как с помощью потока газа, так и влиянием свойств смачивания твердой стенки канала. У данной задачи есть несколько особенностей. Первая – это линия контакта трех фаз по периферии капель – здесь важны свойства смачивания подложек, устойчивость нанопокрытий к тепловым нагрузкам. На линии контакта как правило достигаются большие тепловые потоки за счет интенсивного испарения в этой области. Моделирование данного процесса является достаточно сложным поскольку при интенсивном нагреве процесс становится нестационарным и быстро текучим, и учет влияния динамического краевого угла смачивания становится затруднительным. Совместно с иностранным партнером получены результаты мирового уровня путем моделирования динамики капли жидкости с учетом особенностей линии контакта трех фаз. Вторая особенность задачи – динамическое влияние потока газа на капли жидкости. Впервые в проекте экспериментально созданы цепочки капель, увлекаемых потоком газа.
Описание исследования

Главными конкретными задачами проекта являются:

  1. Создание трехмерной математической модели тепломассообмена и динамики в капле жидкости, сидящей на нагреваемой поверхности, учитывая теплообмен в твердой подложке.
  2. Создание технологии международного класса, обеспечивающей интенсификацию теплообмена с использованием организованных капельных течений жидкости в микро- и миниканалах.
  3. Изучение влияния свойств смачивания твердой поверхности на теплофизику и динамику течения в капле чистой и сложной жидкости.

Визуализация и измерение скоростей течения группы капель осуществлена в Новосибирске посредством скоростной камеры FASTCAM SA1.1 (5400 кадров/сек с разрешением 1024x1024 пикселей, до 650 000 кадров/сек с уменьшенным разрешением; 12 бит на пиксель), а также скоростной видеокамеры Fastvideo-500 (500 кадров/сек с разрешением 1024x1024 пикселей).

Группа из Сианя использовала AFM – сканирующий атомно-силовой микроскоп, который имеется у них в распоряжении. Группа сосредоточилась на исследованиях в межфазных областях – на контакте жидкости и твердого тела, варьировались свойства подложек и использовались разные наноповерхности и покрытия. Сделан подробный анализ поверхностей и изучено их влияние на теплофизику и динамику в каплях жидкости как чистых (Новосибирск) так и сложных (Сиань).

Группа из Новосибирска применила следующие методики и технологии, имеющиеся в распоряжении:

1. Прибор для измерения краевого угла смачивания KRUSS DSA-100. Измерение краевого угла методом лежащей капли или плененного пузырька. Диапазон измерения: 1-180°. Разрешение: ± 0,1°. Используется 6 методов оценки формы капли (полином, длина-высота, конический сегмент, окружность, Юнг-Лаплас, расстояния между точками). Измерение поверхностного/межфазного натяжения по методу висящей капли: диапазон измерения 0,01 - 1000 мН/м, разрешение ± 0,01 мН/м. Цифровая камера: скорость записи 61 - 311 кадр/сек; макс./ мин. разрешение кадров: 780 х 580 /780 х 60 пкс. Оптическая система: зум- 7 крат автоматический; поле зрения 3.7х2.7 - 23.2х17.2 мм. Автоматическая система дозирования жидкости.

2. Шлирен-система, позволяет визуализировать и измерять деформации на поверхности жидкости в двух взаимно перпендикулярных направлениях высокоскоростной камерой. Система позволяет визуализировать и измерять деформации поверхности капель жидкости в диапазоне от – 3.1° до + 3.1°, с точностью 0.03°.

3. Скоростная высокоточная теневая методика. Представляет собой оптическую систему, состоящую из источника света и скоростной видеокамеры. В качестве источника света используется мощный светодиод и система линз, которая на выходе образует параллельный пучок света. Для улучшения пространственного разрешения вплоть до 0.5 мкм/пиксель используются фотокамера NIKON D300S с макро объективом Nikon 105mm f/2.8G IF-ED AF-S VR Micro-Nikkor и специальные фотографические меха, которые позволяют получать изображение с масштабом до 10:1. Метод используется для исследования испарения и течения нескольких капель жидкости, а также для измерения краевого угла смачивания на рабочих поверхностях методом капли.

4. Многофункциональный оптический микроскоп Olympus BX51. В комплект входит: набор объективов, позволяющий работать в прямом и отраженном свете с увеличением от 10 до 100 крат; осветительный тубус отраженного света; слайдер с фильтром светового баланса; слайдер с фильтром интерференционного контраста, зеленый; слайдер призмы Номарского - для отраженного света; поляризатор для осветителя отраженного света; цифровая видеокамера высокого разрешения.

5. Метод цифровой трассерной визуализации (PIV) позволяет измерять средние однокомпонентные поля скорости. Система предназначена для измерения скорости в медленных потоках с небольшим характерным размером и низкими скоростями. Основные параметры: измеряемые скорости – до 0,5 м/с; разрешение поля скорости – до 125х125 мм, характерный размер области- 15х15мм. Будет использоваться для измерений структуры конвективных течений под действием потока газа.

6. Метод измерения температурного поля с помощью микротермопар с прецизионной подвижкой T-LA60A (ZaberTechnologiesInc) с шагом 1 микрометр. Предназначена для контроля положения микро термопар при измерении температуры вблизи линии контакта трех фаз.

Результаты исследования

1) Разработана трехмерной математическая модель тепломассообмена и динамики в капле жидкости, сидящей на нагреваемой поверхности, учитывающая теплообмен в твердой подложке. Особенностью задачи является учет многослойности твердой подложки, учет диффузионного потока, а также трехмерность самой задачи.Выведено эволюционное уравнение в приближении тонкого слоя для толщины капли. Одной из особенностей является, что учитываются силы Лондона-ван дер Ваальса и электростатические эффекты в расклинивающем давлении.

2) Разработана технология, обеспечивающая интенсификацию теплообмена с использованием организованных капельных течений жидкости в микро и миниканалах. Модернизирован экспериментальный стенд для исследования организованных капельных течений жидкости, увлекаемых потоком газа, в микро и миниканалах. Проведена визуализация течения группы капель и взаимодействия между каплями посредством скоростной камеры. Построена карта режимов течения в зависимости от расходов жидкости и газа. Подана заявка на патент.

3) Изучению влияния изменений свойств смачивания твердой подложки на теплофизику и динамику течения в капле чистой и сложной жидкости. Модернизирована экспериментальная установка по изучению влияния изменений свойств смачивания твердой подложки на теплофизику и динамику течения в капле жидкости. Изучено влияние различных свойств покрытий на динамику течения в капле чистой и сложной жидкости посредством микроскопии и KRUSS DSA-100. Экспериментально исследован теплообмен в испаряющейся капле жидкости с помощью микротермопары вблизи линии контакта трех фаз на нагреваемых подложках с различными свойствами.

В ходе выполнения проекта принято участие в 4 мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов подано 1 заявка на патент и опубликовано (принято в печать) 2 научные статьи, в том числе высорейтинговом международном журнале Journal of Computational Physics. 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые в проекте технические решения могут быть использованы для охлаждения микропроцессоров высокопроизводительной вычислительной техники: суперкомпьютеров, а также нового поколения рабочих станций, серверов и персональных компьютеров. Перспективность применения предлагаемой системы охлаждения на российском рынке на данный момент оценивается от сотен, до тысяч экземпляров в год. При существующих тенденциях развития микроэлектроники, в течение ближайших лет массовое применение такой системы охлаждения возможно на мировом рынке. Потребителями могут стать компании, производящие электронику и компьютерную технику. В настоящее время Холдинг «Росэлектроника» совместно с Минпромторгом разрабатывает суперкомпьютер полностью российского производства, способный в перспективе закрыть потребности оборонно-промышленного комплекса в вычислительных мощностях. Мощность его составит 1,2 петафлопа.
Выход на российский и зарубежный рынки возможен как путем продажи лицензий на технические решения, так и путем продажи продукции. Для выполнения этих задач будут приняты меры по защите интеллектуальной собственности на российском и зарубежном рынках.
Перспективность применения предлагаемой технологии на российском рынке в данный момент оценивается от сотен до миллиона экземпляров в год. Более точно формы и объемы коммерциализации полученных результатов могут быть определены к моменту завершения проекта.

Методика проведения экспериментов, а также методы моделирования уже используются в образовательной деятельности для студентов НГУ и НГТУ. Пишутся дипломные работы, ведутся практические занятия. На основе работ, проведенных в рамках данного Соглашения защищено несколько дипломов бакалавра и магистра.
Постер

14.613.21.0038.ppt