УДК 532.529:536.24
ДВУХФАЗНОЕ ТЕЧЕНИЕ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ПРЯМОУГОЛЬНОМ МИКРОКАНАЛЕ
© 2014 г. Е. А. Чиннов1, Ф. В. Роньшин2, В. В. Гузанов1, 2, Д. М. Маркович1, 2, О. А. Кабов1, 3
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный университет 3Национальный исследовательский Томский политехнический университет E-mail: chinnov@itp.nsc.ru Поступила в редакцию 21.08.2013 г.
Выполнено экспериментальное исследование течения двухфазного потока в прямоугольном коротком горизонтальном канале высотой 200 мкм. Использование флуоресцентного метода позволило зарегистрировать и количественно определить характеристики течения жидкости в канале. Установлено существование раздельного режима течения. В результате анализа предыдущих исследований и полученных данных показано, что изменение высоты горизонтального канала оказывает существенное влияние на границы между режимами. Область вспененного режима течения возрастает с уменьшением толщины канала.
DOI: 10.7868/S0040364414040073
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время происходит революционное развитие теплообменных систем с микро- и наноразмерами, которые оказываются гораздо более энергоэффективными, чем макросистемы с размерами каналов 3—100 мм. При уменьшении толщин плоских каналов, отношение поверхности к объему канала увеличивается обратно пропорционально его минимальному поперечному размеру, что обусловливает высокую интенсивность теплообмена в микросистемах. Такие системы получают все более широкое распространение в микроэлектронике, в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. Растет число публикаций на эту тему. Например, в работе [1] численно проанализированы особенности течений в микроканалах однофазной жидкости при околокритических параметрах.
Современные требования к системам охлаждения мощных полупроводниковых микроустройств сформулированы американским агентством DARPA (http://www.darpa.mil) в проекте DARPA-BAA-12-50 "Intrachip/Interchip Enhanced Cooling Fundamentals". Предполагается, что охлаждающие микроканалы должны быть расположены в непосредственной близости от тепловыделяющих областей чипов. В современных микропроцессорах тепло выделяется неравномерно. Для сверхмощных объектов электроники специального назначения ставится задача отвода средних плотностей тепловых потоков более 1 кВт/см2 и до 5 кВт/см2 с отдельных наиболее теплонапря-женных участков размером до 200 х 200 мкм. Од-
ним из таких решений может быть использование коротких микроканалов с двухфазным теплоносителем, обеспечивающим интенсивное испарение в зоне активного тепловыделения при высоких скоростях потока и недогревах жидкости до температуры насыщения, в условиях относительно небольших перепадов давления. Для анализа возможности создания таких систем необходимо иметь информацию о характеристиках двухфазного потока в коротких микроканалах.
Обзор работ по режимам двухфазных течений в каналах различной геометрии содержится в [2]. Показано, что в большинстве публикаций рассматриваются относительно длинные каналы, в которых условия ввода жидкости и газа в канал не оказывают существенного влияния на структуру двухфазного потока. В таких системах длины каналов на два и более порядков превосходят их поперечные размеры. Короткие каналы имеют более широкие перспективы использования в технических приложениях, например в биочипах и устройствах охлаждения микроэлектроники. Несмотря на актуальность исследования двухфазных течений в коротких каналах, количество публикаций по этой теме весьма ограничено. Изучение газожидкостных течений в коротких горизонтальных миниканалах выполнено в [3, 4]. Обнаружены новые режимы течения (прерывистый, струйный и струйно-пузырьковый), которые могут быть связаны с новыми типами неустойчивости при течении двухфазной смеси в горизонтальных прямоугольных каналах малой высоты.
В работах [5, 6] показано, что режимы газожидкостного течения в микроканалах сильно зависят от условий ввода фаз в канал. На положение границ режимов двухфазного течения наибольшее влияние оказывают особенности геометрии смесителя и входного участка.
В [7] исследованы карты режимов течения двухфазных воздушно-водяных потоков для трубок диаметром 1, 1.6 и 2 мм. Если в трубках диаметром 1.6 и 2 мм выделена область раздельного режима течения, то в капилляре с диаметром 1 мм раздельный режим не обнаружен.
В работе [8] выполнено исследование водно-воздушного течения в каналах квадратного сечения 0.2 х 0.2 мм и 0.525 х 0.525 мм. Выделены пузырьковый, пробковый (клиновидный — wedging), снарядный, кольцевой и осушенный режимы течения. В пробковом режиме при малых скоростях пузырей тонкая пленка жидкости между пузырем и серединой боковой стороны канала разрушалась и образовывалось сухое пятно. При высоких скоростях пузырей в пробковом, снарядном и кольцевом режимах между пузырем и стенкой всегда существовала тонкая пленка. При очень высоких газосодержаниях возникал дисперсный режим течения, когда на стенках канала находилась жидкость в виде капель.
Исследование газовоздушного течения в квадратном микроканале размером 0.096 х 0.096 мм выполнено в [9]. Как и в круглом канале, выделено четыре режима течения. В квадратном канале область кольцевого — снарядного течения уменьшается, что объясняется перераспределением жидкости в углы квадратного канала, где скорость течения жидкости выше.
Основные характеристики экспериментов по исследованию течения двухфазного потока в прямоугольных каналах с поперечным размером менее 1 мм представлены в табл. 1.
В прямоугольных каналах картина течения качественно соответствует режимам в трубах, хотя границы между режимами существенно отличаются. Появляются два линейных размера, и в зависимости от их отношений существенно меняется картина процесса.
Можно заключить, что, несмотря на обилие публикаций по исследованию двухфазных течений в микроканалах, в том числе прямоугольного сечения, исследования плоских каналов с толщиной, равной и меньшей 200 мкм, крайне ограниченны. Однако именно этот тип каналов может быть наиболее востребованным при создании систем охлаждения сверхвысокопроизводительной электроники, где требуется отведение тепловых потоков более 1000 Вт/см2 непосредственно из области p—«-перехода интегральных схем.
Целью данной работы является исследование режимов двухфазного течения в коротком (длин-
(а)
Рис. 1. Экспериментальная установка: (а) — рабочий участок с исследуемым каналом, (б) — схема установки; 1 — плоское сопло для подачи жидкости; 2 — канал; 3 — ввод газа в канал; 4 — боковые вставки, определяющие высоту канала; 5 — отверстие для выхода двухфазной смеси; 6 — зона измерений; 7 — лазер; 8 — цилиндрическая линза; 9 — цифровая камера с линейным датчиком; 10 — светофильтр; 11 — стекло, закрывающее канал.
ной 80 мм) горизонтальном микроканале шириной 34 мм и высотой 200 мкм.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 1а показан рабочий участок с исследуемым каналом. На рис. 1б приведена схема расположения аппаратуры для реализации используемых методик измерений. Стенд включал два циркуляционных контура по жидкости и газу, которые управлялись компьютером. Используемый газ насыщался парами воды перед входом в рабочий участок. Жидкость с помощью высокоточного перистальтического насоса подавалась через плоское сопло 1 в исследуемый канал 2. Сопло располага-
Таблица 1. Течение двухфазного потока в прямоугольных каналах
Источник Год Размеры сечения канала, мм Тип смеси Ориентация
Bonjour and Lallemand [10] 1998 0.5 х 2 R-113 В
Бейнусов и др. [11] 1978 0.2 х 124 0.25 х 124 0.5 х 124 Вода—воздух В
Lovry, Kawaji [12] 1988 80 х 0.5 Вода—воздух В
Xu et al. [13] 1999 0.3 х 12 0.6 х 12 Вода—воздух В
Bi, Zhao [9] 2001 0.75 х 1.5 Вода—воздух Г
Kawaji, Chung [14] 2003 0.096 х 0.096 Вода—азот Г
Cubaud, Ho [8] 2004 0.2 х 0.2 0.525 х 0.525 Вода—воздух Г
Hibiki and Mishima [15] 2001 0.3 х 17 Вода—воздух В
Чиннов Е.А., Кабов О.А. [16] 2011 0.42 х 40 0.44 х 30 0.49 х 20 0.1 х 30 Вода—азот Г
Чиннов Е.А., Кабов О.А. [17] 2008 0.3 х 40 Вода—азот Г
Chinnov E.A., Guzanov W, Cheverda V et al. [4] 2009 0.44 х 30 Вода—азот Г
Choi C.W, Yu D.I. [18] 2011 0.5 х 0.47 0.6 х 0.41 0.5 х 0.24 Вода—азот Г
Xiong R. and Chung J.N. [19] 2007 0.213 х 0.206 0.419 х 0.406 0.630 х 0.615 Вода—азот Г
Kuznetsov VV et al. [20] 2013 0.72 х 1.5 Вода—азот В, Г
Kuznetsov W, Shamirzaev A.S., Kozulin I.A. [21] 2012 0.217 х 0.37 Вода—азот Г
Козулин И.А., Кузнецов В.В. [22] 2011 0.67 х 2 Вода—азот В
Примечание. В — вертикальный канал, Г — горизонтальный канал.
лось в пластине из нержавеющей стали в нижней части рабочего участка. Газ подавался в центральную часть канала через входное отверстие 3, расположенное на расстоянии 40 мм от входа жидкости. Для изменения высоты канала использовались боковые вставки 4. Выход двухфазной смеси осуществлялся через отверстие 5.
Регистрация характеристик газожидкостного потока осуществлялась в области 6 цифровыми видео- и фотокамерами. Для изучения взаимодействия жидкости и газа в каналах был использован метод лазерно-индуцированной флуоресценции [23, 24], который основан на переизлучении флуорофором поглощенного света с отличным от возбуждающего излучения спектральным составом. В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода с добавлением флуорофора Родамин 6G, а в качестве газа — азот или воздух. Для
возбуждения флуоресценции использовался лазер 7 мощностью 50 мВт с длиной волны 532 нм. С помощью цилиндрической линзы 8 лазерный луч разворачивался в линию толщиной 2 мм, которая располагалась поперек газожидкостного потока на расстоянии 52 мм от места ввода жидкости в канал и освещала всю ширину канала. Переизлучаемый флуорофором свет регистрировался с высоким пространственным разрешением (~0.09 мм/пикс.) цифровой камерой 9, оснащенной ступенчатым светофильтром низких частот 10, пропускающим переизлученный флуорофором свет и отсекающим излучение лазера. Камера разрядностью 10 бит с матрицей размером 1 х 2048 пикселей позволяет с высокой частотой дискретизации (до 2.1 кГц) оцифровывать получ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.