пїњ

ѕ–»ћ≈Ќ≈Ќ»≈ ќѕ“»„≈— »’ ћ≈“ќƒќ¬ ƒЋя »——Ћ≈ƒќ¬јЌ»я “≈ѕЋќ‘»«»„≈— »’ ѕ–ќ÷≈——ќ¬ ¬ ћ» –ќ—»—“≈ћј’

”ƒ  536.42
ѕ–»ћ≈Ќ≈Ќ»≈ ќѕ“»„≈— »’ ћ≈“ќƒќ¬ ƒЋя »——Ћ≈ƒќ¬јЌ»я “≈ѕЋќ‘»«»„≈— »’ ѕ–ќ÷≈——ќ¬ ¬ ћ» –ќ—»—“≈ћј’
»горь јнатольевич  озулин
»нститут теплофизики им. —. —.  утателадзе —ќ –јЌ, 630090, –осси€, г. Ќовосибирск, пр. јкадемика Ћаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: igornt@yandex.ru
¬ладимир ¬асильевич  узнецов
»нститут теплофизики им. —. —.  утателадзе —ќ –јЌ, 630090, –осси€, г. Ќовосибирск, пр. јкадемика Ћаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, заведующий отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
¬ работе изучалось применение метода отраженного лазерного излучени€ дл€ идентификации начальной стадии контролируемого распада метастабильного состо€ни€ воды и спирта при импульсном нагреве жидкости на поверхности плоского нагревател€, покрытого субмикронным слоем карбида кремни€. ƒанные по температуре зарождени€ вскипани€ показали, что очень высокие плотности теплового потока и высокие темпы роста температуры поверхности обеспечивают услови€ дл€ начала фазового взрыва, свойства которого экспериментально изучены, включа€ историю покрыти€ поверхности паром, врем€ нуклеации и времени жизни основного пузыр€.
 лючевые слова: микроканал, капилл€рна€ гидродинамика, оптические методы, мета-стабильное состо€ние, ћЁћ— 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. ¬ведение.
¬ св€зи с быстрым ростом высокотехнологичных приложений в различных област€х промышленности, которые требуют передачи больших тепловых потоков в ограниченном пространстве и объеме, все большее внимание в мире удел€етс€ разработке микрожидкостных систем.   таким системам относ€тс€ системы термостабилизации электронных и оптических устройств, топливные элементы, микроэлектромеханические системы (ћЁћ—).  лючевую роль в обосновании теплофизических процессов в микросистемах играют фундаментальные закономерности газожидкостных течений и взрывных фазовых превращений на микромасштабе. ќбзор работ по исследованию структуры газожидкостного течени€ в микроканалах представлен в [1]. ¬ р€де микросистем используют принцип управл€емого распада микрообъемов метастабильной жидкости дл€ быстрого изменени€ ее фазового состава [2]. ¬скипание жидкости на плоских микронагревател€х рассмотрено в [3].
¬ данной работе рассмотрено применение оптических методов диагностики дл€ получени€ закономерностей капилл€рной гидродинамики двухфазных газожидкостных течений в микроканалах и управл€емого распада метастабиль-ной жидкости при импульсном нагреве в неоднородном поле температур на поверхности плоского микронагревател€.
2. ќптические методы изучени€ капилл€рной гидродинамики течений.
—хема экспериментальной установки дл€ изучени€ двухфазного потока
представлена на рис. 1. ¬ экспериментальной установке сжатый газ (N2) поступал из баллона (1) через цифровой контроллер расхода газа (3) в экспериментальный участок (5). ¬ качестве газовой фазы использовалс€ азот. ¬ода поступала из бака (2) через цифровой термо-массовый регул€тор расхода жидкости, и далее в “-образный смеситель микроканала. –азмер пр€моугольного микроканала 217х370 мкм, длина 300 мм. Ќа выходе смесь откачивалась перистальтическим насосом (9) в открытый бак с водой. ƒл€ исследовани€ режимов газожидкостного течени€ использовалс€ метод двойного лазерного сканировани€. ¬ данном методе два лазера (7) располагались так, что лазерные лучи освещали короткую сторону пр€моугольного канала с диаметром светового п€тна пор€дка размера канала. ѕитание лазеров осуществл€лось с помощью источника напр€жени€ TEC-42 (8). »нтенсивность прошедшего света измер€лась с помощью фотодиодов (6), расположенных на противоположной стороне канала. —игналы с фотодиодов обрабатывались на компьютере (11). — лицевой стороны канала, проводилась визуализаци€ течени€ при помощи цифровой видеокамеры AOS X-Pri (10).
–ежимы течени€ определ€лись как по визуализации течени€ с помощью скоростной видеокамеры, так и с помощью лазерного сканировани€. –ежим течени€ с удлиненными пузыр€ми наблюдалс€ 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. —игнал с фотодиодов и визуализаци€ течени€ дл€ данного режима показана на рис. 2 (а) дл€ приведенной скорости жидкости и газа
1^=0.052 м/с, Jgas=0.083 м/с и характеризуетс€ периодичностью и стабильностью структуры течени€.
–ис. 1. —хема экспериментального стенда дл€ моделировани€ газо-жидкостного течени€ в микроканале
ѕри увеличении скорости газа он переходит в переходное течение. “акое течение наблюдаетс€ в диапазоне приведенных скоростей жидкости 1^=0,035^0,088 м/с и газа Jgas=0,6^4,2 м/с. ¬ этом режиме наблюдаетс€ непериодическое течение удлиненных газовых пузырей. √азовые пузыри, движущиес€ в микроканале, имеют разную длину, при этом более короткие снар€ды газа могут догон€ть более медленные длинные и объедин€тьс€. ѕри увеличении приведенных скоростей жидкости и газа возникает псевдокольцевое течение с преимущественным течением жидкости в волновой пленке. —игнал с фотодиодов и визуализаци€ течени€ дл€ данного режима показана на рис. 2, б дл€ приведенной скорости жидкости и газа J11q=0.052м/с, 1^=4.152 м/с.
»спользование лазерного сканировани€ течени€ позвол€ет получить качественно новую информацию о статистических параметрах течени€.
0,16 0,14 0,12' 0,10 0,08' 0,06 0,04 0,02 0,00
јј””

1 1
0
25 50 75
1, тс
100
а)
ј, ”
0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
–ис. 2.
ш
50 100 150
1:, тс
б)
200
а) оптический сигнал с фотодиода и визуализаци€ дл€ снар€дного периодического режима течени€; (б) оптический сигнал с фотодиода и визуализаци€ течени€ дл€
кольцевого режима течени€
0
3. ќптические методы изучени€ фазового взрыва метастабильной жидкости при импульсном нагреве.
¬ качестве микронагревател€ при исследовании фазового взрыва микрообъемов жидкости был использован многослойный тонкоплЄночный резистор печатающей головки струйного принтера Hewlett Packard ThinkJet [4]. –езистор
л
с размером 100x110 мкм представл€ет собой четырехслойную пленку, последовательно напыленную методом PECVD на плоской подложке из стекла. ћик-рочип с нагревателем погружалс€ в кювету с рабочей жидкостью. ƒл€ изучени€ управл€емого распада жидкости была развита оптическа€ методика регистрации зародышеобразовани€, вскипани€ и динамики паровой полости, предложенна€ в [5]. ќна основана на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражЄнного от поверхности нагревател€.
Ќа рис. 3, а приведен принцип оптического метода. ¬идно, что при возникновении микропузырьков интегральный коэффициент зеркального отражени€ начинает падать и сигнал с фотоприЄмника дает динамику заполнени€ поверхности нагревател€ паровыми пузырьками. Ќа рис. 3, б приведены фотографии вскипани€ этилового спирта на поверхности нагревател€ спуст€ 0.85 мкс после нагрева. ѕузырьковый распад имеет взрывной характер и происходит за врем€ меньше 350 нс. Ќа начальной стадии взрывного кипени€ пузырьки неравномерно распределены по поверхности нагревател€, их число мало, и в момент зарождени€ пузырьков наблюдаетс€ излучение расход€щихс€ волн давлени€. ѕо мере роста температуры нагревател€ число пузырьков растет, и на заключительной стадии пузырькового распада поверхность нагревател€ равномерно покрыта облаком пузырьков.
а) б)
–ис. 3. ѕринцип метода изучени€ фазового взрыва метастабильной жидкости. (б) - вскипание этанола при плотности теплового потока qeff = 1562.71 ћ¬т/м ,
Є“/Є = 322.04 ћ /с
Ќа рис. 4 показана динамика заполнени€ поверхности нагревател€ паровыми пузырьками, при приведенной на единицу поверхности плотности тепло-
л
выделени€ 619,3 ћ¬т/м . ѕриведенна€ плотность тепловыделени€ определена как полна€ выдел€ема€ теплова€ мощность, деленна€ на поверхность нагревател€. Ќа рис. 4 показано развитие взрывного вскипани€ воды при приведенной плотности тепловыделени€ 618-619 ћ¬т/м дл€ различных относительных времен нагрева хг. ¬рем€ начала вскипани€ в этих опытах измен€лось от 3.65 до 3.67 мкс. ¬зрывное вскипание жидкости характеризуетс€ временем пузырько-
вого распада, временем жизни основного парового пузыр€, получаемого при расширении паровой пленки, и временем жизни пузыр€-сателлита, образующегос€ после схлопывани€ основного парового пузыр€. ¬се 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 ќ 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
- | Ђ ^ | - i: f\ i 1 % z.i.au ; I I I i i i ^ i L i i i 1 1 \ - 4=0,9^1Ђ 1 1
r t i i 1 1 1+ 1 1 √ - T - - -1
- * 4 1 1 i; i - - Чi ЧiЧ "\f i i H 1 + ? у1ћ№'чІ| 1 1 1 1 1 1 1
Ћ 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
–ис. 4. «ависимость интенсивности отраженного света от времени дл€ различных времен нагрева при приведенной плотности тепловыделени€ 618-619 ћ¬т/м2
4. «аключение.
ѕредставленные в статье оптические методы диагностики капилл€рной гидродинамики и теплофизических процессов в микросистемах соответствуют мировому уровню, что обусловлено современным приборным оснащением экспериментальной базы. ѕри исследовании газожидкостных течений в микроканалах двулучевой метод исследовани€ структуры течени€ позвол€ет получить статистические характеристики течени€ на микромасштабе, что невозможно достигнуть другими методами. ѕрименение оптического метода, основанного на изменении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражЄнного от поверхности микронагревател€, при по€влении паровых пузырьков, показало, что данный метод имеет высокую чувствительность и позвол€ет изучить динамику начальной стадии взрывного кипени€ метастабильной жидкости. ѕолученные данные по динамике заполнени€ поверхности нагревател€ паровой фазой, времени жизни основного парового пузыр€ и пузыр€-сателлита и температуры начала кипени€ показывают, что сверхвысокие плотности теплового потока обеспечили переход к фазовому взрыву жидкости, длительность которого не превышает 350 нс.
–абота выполнена при поддержке –‘‘», гранты є 15-08-07506-а и гранта Ќовосибирского государственного университета (Novosibirsk State University).
Ѕ»ЅЋ»ќ√–ј‘»„≈— »… —ѕ»—ќ 
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.
© ». ј.  озулин, ¬. ¬.  узнецов, 2015

пїњ