CC BY
62
УДК 536.42
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МИКРОСИСТЕМАХ
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: igornt@yandex.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, заведующий отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
В работе изучалось применение метода отраженного лазерного излучения для идентификации начальной стадии контролируемого распада метастабильного состояния воды и спирта при импульсном нагреве жидкости на поверхности плоского нагревателя, покрытого субмикронным слоем карбида кремния. Данные по температуре зарождения вскипания показали, что очень высокие плотности теплового потока и высокие темпы роста температуры поверхности обеспечивают условия для начала фазового взрыва, свойства которого экспериментально изучены, включая историю покрытия поверхности паром, время нуклеации и времени жизни основного пузыря.
Ключевые слова: микроканал, капиллярная гидродинамика, оптические методы, мета-стабильное состояние, МЭМС технологии.
APPLICATION OF THE OPTICAL METHODS FOR STUDY OF THERMOPHYSICAL PROCESSES IN MICROSYSTEMS
Igor A. Kozulin
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, Russia, 1 Akademika Lavrentjeva pr, Ph. D., tel. (923)182-0897, e-mail: igornt@yandex.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, Russia, 1 Akademika Lavrentjeva pr, Dr. Sc., Head Laboratory of multiphase systems, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Using the optical method of reflected laser beam recording the initial stage of controlled disintegration of metastable water and alcohol under pulsed liquid heating on the surface of flat micro-heater coated by submicron silicon carbide layer was studied in this paper. The data on nucleation temperature showed that super high heat flux density and high rate of surface temperature growth provide for the conditions for phase explosion initiation and its properties were studied experimentally including surface coverage time history, the time of nucleation and lifetime of the main bubble.
Key words: microchannel, capillary hydrodynamics, optical methods, metastable state, MEMS technology.
1. Введение.
В связи с быстрым ростом высокотехнологичных приложений в различных областях промышленности, которые требуют передачи больших тепловых потоков в ограниченном пространстве и объеме, все большее внимание в мире уделяется разработке микрожидкостных систем. К таким системам относятся системы термостабилизации электронных и оптических устройств, топливные элементы, микроэлектромеханические системы (МЭМС). Ключевую роль в обосновании теплофизических процессов в микросистемах играют фундаментальные закономерности газожидкостных течений и взрывных фазовых превращений на микромасштабе. Обзор работ по исследованию структуры газожидкостного течения в микроканалах представлен в [1]. В ряде микросистем используют принцип управляемого распада микрообъемов метастабильной жидкости для быстрого изменения ее фазового состава [2]. Вскипание жидкости на плоских микронагревателях рассмотрено в [3].
В данной работе рассмотрено применение оптических методов диагностики для получения закономерностей капиллярной гидродинамики двухфазных газожидкостных течений в микроканалах и управляемого распада метастабиль-ной жидкости при импульсном нагреве в неоднородном поле температур на поверхности плоского микронагревателя.
2. Оптические методы изучения капиллярной гидродинамики течений.
Схема экспериментальной установки для изучения двухфазного потока
представлена на рис. 1. В экспериментальной установке сжатый газ (N2) поступал из баллона (1) через цифровой контроллер расхода газа (3) в экспериментальный участок (5). В качестве газовой фазы использовался азот. Вода поступала из бака (2) через цифровой термо-массовый регулятор расхода жидкости, и далее в Т-образный смеситель микроканала. Размер прямоугольного микроканала 217х370 мкм, длина 300 мм. На выходе смесь откачивалась перистальтическим насосом (9) в открытый бак с водой. Для исследования режимов газожидкостного течения использовался метод двойного лазерного сканирования. В данном методе два лазера (7) располагались так, что лазерные лучи освещали короткую сторону прямоугольного канала с диаметром светового пятна порядка размера канала. Питание лазеров осуществлялось с помощью источника напряжения TEC-42 (8). Интенсивность прошедшего света измерялась с помощью фотодиодов (6), расположенных на противоположной стороне канала. Сигналы с фотодиодов обрабатывались на компьютере (11). С лицевой стороны канала, проводилась визуализация течения при помощи цифровой видеокамеры AOS X-Pri (10).
Режимы течения определялись как по визуализации течения с помощью скоростной видеокамеры, так и с помощью лазерного сканирования. Режим течения с удлиненными пузырями наблюдался в микроканале 217х370 мкм в диапазонах приведенных скоростей жидкости Jliq=0,035^0,192 м/с и газа Jgas=0,087^0,668 м/с. Сигнал с фотодиодов и визуализация течения для данного режима показана на рис. 2 (а) для приведенной скорости жидкости и газа
1^=0.052 м/с, Jgas=0.083 м/с и характеризуется периодичностью и стабильностью структуры течения.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для моделирования газо-жидкостного течения в микроканале
При увеличении скорости газа он переходит в переходное течение. Такое течение наблюдается в диапазоне приведенных скоростей жидкости 1^=0,035^0,088 м/с и газа Jgas=0,6^4,2 м/с. В этом режиме наблюдается непериодическое течение удлиненных газовых пузырей. Газовые пузыри, движущиеся в микроканале, имеют разную длину, при этом более короткие снаряды газа могут догонять более медленные длинные и объединяться. При увеличении приведенных скоростей жидкости и газа возникает псевдокольцевое течение с преимущественным течением жидкости в волновой пленке. Сигнал с фотодиодов и визуализация течения для данного режима показана на рис. 2, б для приведенной скорости жидкости и газа J11q=0.052м/с, 1^=4.152 м/с.
Использование лазерного сканирования течения позволяет получить качественно новую информацию о статистических параметрах течения.
0,16 0,14 0,12' 0,10 0,08' 0,06 0,04 0,02 0,00
ААУУ
■ 1 1
0
25 50 75
1, тс
100
а)
А, У
0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
Рис. 2.
ш
50 100 150
1:, тс
б)
200
а) оптический сигнал с фотодиода и визуализация для снарядного периодического режима течения; (б) оптический сигнал с фотодиода и визуализация течения для
кольцевого режима течения
0
3. Оптические методы изучения фазового взрыва метастабильной жидкости при импульсном нагреве.
В качестве микронагревателя при исследовании фазового взрыва микрообъемов жидкости был использован многослойный тонкоплёночный резистор печатающей головки струйного принтера Hewlett Packard ThinkJet [4]. Резистор
л
с размером 100x110 мкм представляет собой четырехслойную пленку, последовательно напыленную методом PECVD на плоской подложке из стекла. Мик-рочип с нагревателем погружался в кювету с рабочей жидкостью. Для изучения управляемого распада жидкости была развита оптическая методика регистрации зародышеобразования, вскипания и динамики паровой полости, предложенная в [5]. Она основана на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от поверхности нагревателя.
На рис. 3, а приведен принцип оптического метода. Видно, что при возникновении микропузырьков интегральный коэффициент зеркального отражения начинает падать и сигнал с фотоприёмника дает динамику заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками. На рис. 3, б приведены фотографии вскипания этилового спирта на поверхности нагревателя спустя 0.85 мкс после нагрева. Пузырьковый распад имеет взрывной характер и происходит за время меньше 350 нс. На начальной стадии взрывного кипения пузырьки неравномерно распределены по поверхности нагревателя, их число мало, и в момент зарождения пузырьков наблюдается излучение расходящихся волн давления. По мере роста температуры нагревателя число пузырьков растет, и на заключительной стадии пузырькового распада поверхность нагревателя равномерно покрыта облаком пузырьков.
а) б)
Рис. 3. Принцип метода изучения фазового взрыва метастабильной жидкости. (б) - вскипание этанола при плотности теплового потока qeff = 1562.71 МВт/м ,
ёТ/ё = 322.04 МК/с
На рис. 4 показана динамика заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками, при приведенной на единицу поверхности плотности тепло-
л
выделения 619,3 МВт/м . Приведенная плотность тепловыделения определена как полная выделяемая тепловая мощность, деленная на поверхность нагревателя. На рис. 4 показано развитие взрывного вскипания воды при приведенной плотности тепловыделения 618-619 МВт/м для различных относительных времен нагрева хг. Время начала вскипания в этих опытах изменялось от 3.65 до 3.67 мкс. Взрывное вскипание жидкости характеризуется временем пузырько-
вого распада, временем жизни основного парового пузыря, получаемого при расширении паровой пленки, и временем жизни пузыря-сателлита, образующегося после схлопывания основного парового пузыря. Все эти стадии хорошо видны на рис. 4.
1 1 1 1 1 1 , + xr=1,070; qeff=617.9 MW/rrf ,
1 1 1 I О тг=1,014; qeff=618.6 MW/rrf i
---г--1--1-- 1 1 1 " 1 1 1 r - д тг=0,964; Cfeff=619.3 MW/rri l I I I I I I I I I I I I I I itS^Tfit><iyiiftr 4 1
" * * 1 ¿f* i i % i ii i i
---L #" J -- 1 1 A 1 I 1 * 1 1 1
- | « ^ | - i: f\ i 1 % z.i.au ; I I I i i i ^ i L i i i 1 1 \ - 4=0,9^1« 1 1
r t i i 1 1 1+ 1 1 Г - T - - -1
- * 4 1 1 i; i - - —i —i— "\f i i H 1 + ? у1МЬ'ч§| 1 1 1 1 1 1 1
Л 1 1 Vi i i 1 1 1 1 1 1 1 1:1:1:1:1:1:1
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
т, mcs
Рис. 4. Зависимость интенсивности отраженного света от времени для различных времен нагрева при приведенной плотности тепловыделения 618-619 МВт/м2
4. Заключение.
Представленные в статье оптические методы диагностики капиллярной гидродинамики и теплофизических процессов в микросистемах соответствуют мировому уровню, что обусловлено современным приборным оснащением экспериментальной базы. При исследовании газожидкостных течений в микроканалах двулучевой метод исследования структуры течения позволяет получить статистические характеристики течения на микромасштабе, что невозможно достигнуть другими методами. Применение оптического метода, основанного на изменении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от поверхности микронагревателя, при появлении паровых пузырьков, показало, что данный метод имеет высокую чувствительность и позволяет изучить динамику начальной стадии взрывного кипения метастабильной жидкости. Полученные данные по динамике заполнения поверхности нагревателя паровой фазой, времени жизни основного парового пузыря и пузыря-сателлита и температуры начала кипения показывают, что сверхвысокие плотности теплового потока обеспечили переход к фазовому взрыву жидкости, длительность которого не превышает 350 нс.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты № 15-08-07506-а и гранта Новосибирского государственного университета (Novosibirsk State University).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Choi C.W. Yu D.I., Kim M.H. Adiabatic two-phase flow in rectangular micro-channels with different aspect ratios: part 1 - flow pattern, pressure drop and void fraction // Int. J. of Heat and Mass Trans. -2011. - Vol. 54. - P. 616-624.
2. Allen R.R., Meyer J.D. and Knight W.R. Thermodynamics and Hydrodynamics of Thermal Ink Jets // Hewlett-Packard J. - 1985. - Vol. 36. - P. 21-27.
3. Zhao Z., Glod S. and Poulikakos D. Pressure and Power Generation during Explosive Vaporization on a Thin-Film Microheater // Int. J. Heat Mass Transfer. - 2000. - Vol. 43. - P. 281-296.
4. Bhaskar E.V. and Aden J.S. Development of the thin-film structure for the ThinkJet print-head // Hewlett-Packard Journal. - 1985. - Vol. 36. - N5. - P. 27-33.
5. Kuznetsov V.V., Vasserman E.S. Explosive vaporization dynamics on a flat microheater // Proc. 3-rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. - 2004. -Pisa. - Paper ven 04.
© И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, 2015
