CC BY
27
УДК 536.4.033
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗРЫВНОГО ВСКИПАНИЯ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКОГО МИКРОНАГРЕВАТЕЛЯ
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: kozulin@itp.nsc.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
В работе развит лазерный метод исследования начальной стадии контролируемого распада метастабильного состояния жидкости при импульсном нагреве на поверхности плоского микронагревателя, основанный на измерении интенсивности отраженного от нагревателя лазерного излучения. Показано, что данный метод имеет высокую чувствительность и позволяет изучить динамику начальной стадии взрывного кипения метастабильной жидкости. Получены экспериментальные данные по динамике заполнения поверхности нагревателя паровой фазой, динамике вскипания основного парового пузыря, пузыря-сателлита и температуры начала кипения жидкости.
Ключевые слова: метастабильная жидкость, взрывное вскипание, МЭМС системы, микронагреватель.
APPLICATION OF THE OPTICAL METHOD FOR STUDY EXPLOSION BOILING OF LIQUID ON THE SURFACE OF FLAT MICROHEATER
Igor A. Kozulin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (923)182-08-97, e-mail: kozulin@itp.nsc.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, D. Sc., the Head of Multiphase Systems Laboratory, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
A laser method for studying the initial stage of the controlled decay of the metastable state of a liquid under pulsed heating on a surface of a flat microheater is developed, based on measuring the intensity of the laser radiation reflected from the heater. It was shown that this method has a high sensitivity and allows us to study the dynamics of the initial stage of explosive boiling of a metastable liquid. Experimental data are obtained on the dynamics of the filling of the heater surface with the vapor phase, the dynamics of boiling of the main vapor bubble, the satellite bubble, and the initial temperature of liquid boiling.
Key words: metastable liquid, explosive boiling, MEMS control systems, microheater.
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). Принцип управляемого распада микрообъемов метастабильной жидкости можно использовать для быстрого изменения ее фазового состава [1]. В данной работе проведено экспериментальное исследование вскипания жидкости на плоском микронагревателе при высокой внешней плотности энергии. Данная тематика актуальна и может найти применение в различных областях МЭМС технологий, так например, в работе [2] технология взрывного вскипания применяется в технологии струйной печати. В работе для исследования взрывного вскипания жидкости на микронагревателе использовался оптический метод, основанный на измерении интенсивности лазерного излучения, зеркально отраженного от поверхности микронагревателя [3]. Схема экспериментальной установки для исследования динамики взрывного кипения на микронагревателе показана на рис. 1.
Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования динамики взрывного кипения на микронагревателе
В качестве микронагревателя при исследовании фазового взрыва микрообъемов жидкости был использован многослойный тонко-пленочный резистор печатающей головки струйного принтера Hewlett Packard ThinkJet [4]. В экспериментах микрочип с нагревателем (1) погружался в кювету с рабочей жидкостью (2). Начальная температура жидкости в экспериментах варьировалась от 18 до 21 оС. Одиночные прямоугольные импульсы тока подавались на микронагреватель (1) для его нагрева. Для изучения фазового взрыва использована оптическая методика регистрации зародышеобразования, основанная на измерении интенсивности лазерного пучка (3), зеркально отраженного от поверхности нагревателя (1). После отражения от нагревателя лазерный луч попадал в микроскоп (4). С помощью диафрагмы (5) вырезалась область с исследуемым микронагревателем. Интенсивность лазерного излучения регистрировалась фо-
тодиодом (6), сигнал с которого обрабатывался на компьютере (7). При возникновении микропузырьков интегральный коэффициент зеркального отражения падает, и сигнал с фотоприемника дает динамику заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками.
На рис. 2а приведен принцип оптического метода. Видно, что при возникновении микропузырьков интегральный коэффициент зеркального отражения начинает падать и сигнал с фотоприемника дает динамику заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками. На рис. 2б приведены фотографии поверхности нагревателя вскипания этилового спирта 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. По мере роста температуры нагревателя число пузырьков растет и на заключительной стадии пузырькового распада поверхность нагревателя равномерно покрыта облаком пузырьков.
^ ^ ^
Рис. 2а. Принцип метода изучения фазового взрыва метастабильной жидкости
Рис. 2б. Вскипание этилового спирта при плотности теплового потока деи = 1562.71 МВт/м2, dT/dt = 322.04 МК/с
На рис. 3 показана динамика заполнения карбидо-кремниевой поверхности микронагревателя пузырьками водяного пара при приведенной плотности тепловыделения дед- = 618-619 МВт/м2 и различных относительных временах нагрева тг. На рисунке интенсивность рассеянного света, измеряемая фотодиодом, нормирована на единицу. Относительное время начала кипения тг равно отношению времени начала зародышеобразования к времени отключения тепловой мощности. Из рисунка видно, что при относительных временах начала кипения больше единицы тепловой мощности недостаточно для стабильного вскипания, характер вскипания жидкости является постоянным при тг менее единицы.
Тепловой поток от нагревателя в жидкость определялся при численном решении уравнения теплопроводности для многослойного микронагревателя с учетом выделяемого тепла в токопроводящем слое и толщин слоев. В расчетах определялась скорость роста температуры жидкости на нагревателе, достигнутая температура и передаваемый в жидкость тепловой поток в зависимости от выделяемой на нагревающем слое тепловой мощности. Теплопровод-
ность и теплоемкость слоев микронагревателя брались по литературным данным. Взрывное вскипание жидкости характеризуется временем пузырькового 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. 3.
г, цв
Рис. 3. Зависимость интенсивности отраженного света от времени для различных времен нагрева при приведенной плотности тепловыделения
qeíí = 618-619 МВт/м2
На рис. 4 приведена зависимость температуры начала вскипания воды в зависимости от скорости роста температуры на микронагревателе.
350 -|
-.......^.д.о... о Экспериментальные
300 ^^ данные (вода)
250
о 200
о
•-"150 100 50 0
" Тит Тэр
200 400 600 800 1000 сП7сК, МК/с
Рис. 4. Температуры начала распада воды в зависимости от скорости роста температуры жидкости перед началом распада
Пунктирной линией здесь приведено уравнение из работы [5] для предельной температуры перегрева жидкости: Tiim/Tcr = 0.905 + 0.095.(Tsat/Tcr)8. Сплошной линией на рисунке отмечена линия спинодали, рассчитанная по модели [5].
Применение оптического метода, основанного на изменении интенсивности лазерного пучка, зеркально отраженного 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, динамике вскипания основного парового пузыря, пузыря-сателлита и температуры начала кипения жидкости.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10519).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kuznetsov V. V., Kozulin I. A. Explosive vaporization of a water layer on a flat micro-heater // Journal of Engineering Thermophysics. - 2010. - V. 19 (2). - P. 102-109.
2. Allen R. R., Meyer J.D., Knight W. R. Thermodynamics and Hydrodynamics of Thermal Ink Jets // Hewlett-Packard J. - 1985. - Vol. 36. - P. 21-27.
3. Козулин И. А., Кузнецов В. В., Барткус Г. В. Экспериментальное изучение взрывного вскипания органических жидкостей методом изменения интенсивности лазерного излучения при рассеянии на микропузырьках // Вестник НГУ. Серия: Физика. - 2016. - Т. 11 (1). -С. 66-72.
4. Bhaskar E. V., Aden J.S. Development of the thin-film structure for the ThinkJet printhead // Hewlett-Packard Journal. - 1985. - Vol. 36, № 5. - P. 27-33.
5. Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. - М.: Наука, 1972. - 312 с.
6. Синицын Е. Н., Виноградов В. Е. Термодинамическое подобие и простая аппроксимация спинодали // Фазовые превращения и неравновесные процессы. Научные труды Института теплофизики УРО РАН. - 1980. - С. 77-80.
© И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, 2017
