КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 21-79-10373

НазваниеДвухфазная система терморегулирования для поверхностей, рассеивающих высокие тепловые потоки

Руководитель Сомванши Правин Моханрао, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова охлаждение электроники, интенсификация теплообмена, критический тепловой поток, спрей, капли, испарение, линия контакта трех фаз, пленка жидкости, компьютерное моделирование, локальные измерения

Код ГРНТИ44.31.03

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект нацелен на определение границ и достижение новых пределов в интенсификации теплопередачи и отвода тепла при испарении в тонких и сверх тонких слоях жидкости за счет нового фундаментального понимания динамических процессов в области трехфазной границы газ – жидкость – твердое тело, сопутствующих динамике и слиянию капель жидкости на твердой поверхности, а также формированию «сухих пятен» в тонких слоях жидкости бомбардируемых микрокаплями. Особое внимание будет уделено супер - разреженным спреям, т.е. малоисследованным режимам, когда не формируется сплошная жидкая пленка охлаждающей жидкости. Данный процесс при движении капель обеспечивает «сверхинтенсивное испарение» в динамических линиях контакта газ-жидкость- твердое тело и тем самым приводит к существенной интенсификации теплообмена. Однако в настоящее время не существует фундаментального, законченного физического и математического описания таких процессов. Это не позволяет осознанно переходить в режим «сверхинтенсивного испарения» в различных технических устройствах, на различных поверхностях и для различных жидкостей, поддерживать и регулировать его, проектировать любую из систем охлаждения на таком физическом принципе. Потребность отводить сверхвысокие удельные тепловые потоки стала реальностью уже несколько десятилетий назад. Экстремальные тепловые потоки с целевыми показателями более 1 кВт/см2 и более 1 кВт/см3, превышающие те, которые встречаются в типичных устройствах обработки данных, должны рассеиваться в радиолокационных системах, лазерах, силовой электронике и высокопроизводительных вычислительных системах. Перспективные электронные устройства будут использовать широкополосные материалы (карбид кремния, нитрид галлия), которые более эффективны, чем традиционные. Масштабы тепловыделения для GaN электроники оценены как 1 кВт/см2 в настоящее время и более 10 kW/cm2 в перспективных проектах при температурах до 130 С. В электронных интегрированных системах (мощные серверы, транспорт и оборона) тепловые потоки могут достигать еще больших величин. Силовые агрегаты гибридных электромобилей также содержат большое количество силовой электроники. Мощные радары и телекоммуникационное оборудование являются также крайне сложными для охлаждения. Интенсификация теплообмена в современных двухфазных системах охлаждения развивается в направлении значительного снижения толщин жидких пленок. Есть понимание, что локальная интенсификация процессов на мини- и микро- масштабах потребовала качественно новый уровень описания явлений, проходящих на масштабах размеров от сотен нанометров до сотен микрометров и масштабах времен не более десятков миллисекунд. Но соответствующих этим условиям фундаментальных описаний физических процессов в настоящее время недостаточно. Именно этот факт определяет научную значимость поставленной задачи. Актуальность решения проблемы определяется тем, что постоянный рост совместной интеграции отдельных узлов силовой, коммутационной и/или микроэлектронной техники совместно с последовательной миниатюризацией/(снижением характерного стандарта размеров коммутационных и/или микроэлектронных элементов) приводит к интенсивному росту удельных тепловых потоков, которые требуется рассеивать для обеспечения высоких характеристик устройств наряду со значительным снижением их стоимости. Обобщая, можно сказать, что человечество стоит на пороге создания образцов принципиально новых технических, электронных и интеллектуальных систем. Это, например, самоуправляемый электронный транспорт (автобусы, такси, грузовики …). Предполагается, что такой транспорт должен быть оснащен гибридными энергоустановками с интеллектуальным управлением всеми системами, являясь автономным от управления человеком. Создание данных систем требует дальнейшего совершенствования элементной базы, увеличения скорости вычислений, все большей интеграции систем и их мини- микроминиатюризации. Вышесказанное неизбежно ведет к росту тепловыделения и возрастанию поверхностной и объёмной плотностей теплового потока. В ходе выполнения проекта планируется решить три идеологически связанные задачи: 1. Теплообмен и динамика линии контакта газ – жидкость - твердое тело при взаимодействии капли жидкости с твердой поверхностью. Бурное развитие и миниатюризация вычислительной техники, а также крайняя неоднородность теплового потока на электронном компоненте, например, на чипе компьютера, ставит перед разработчиками и исследователями новые научные задачи. Локальный тепловой поток в отдельных областях чипа размером порядка 0,1- 2 мм, (“Hot spots”), может превышать более чем на порядок среднюю плотность теплового потока на чипе и может иметь значение 1 кВт/см2 и выше, что ставит задачу по исследованию теплоотвода высоких и одновременно неравномерных тепловых потоков. Спрейная система охлаждения потенциально способна решать поставленную задачу в силу своих конструктивных особенностей. Предлагается выполнить систематические измерения локальных коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков с использованием метода тонкой фольги, при спрейном охлаждении, который включает в себя измерение температуры обратной стороны подложки ИК сканнером и решение обратной 3Д задачи теплопроводности в подложке. По нашим данным такой метод будет применен впервые к исследованию спрейного охлаждения. Линия контакта, ограничивающая каплю либо деформированный слой жидкости, будет визуализирована сверху с помощью высокочувствительной, высокоскоростной шлирен-системы. Оптические методы позволят четко фиксировать положение линии контакта, что, в совокупности с тепловыми измерениями, позволит значительно продвинуться в понимании процессов теплообмена в области линии контакта. Также предлагается выполнить систематические измерения интегральных коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков при спрейном охлаждении локального источника тепла (10х10 мм2) Большая часть исследований в данном разделе будет выполняться при падении одиночных капель различного размера и супер-разреженного спрея. 2. Динамика и теплообмен при вертикальной и горизонтальной коалесценции капель жидкости. Несмотря на наличие ряда работ по динамике жидкости при вертикальной и горизонтальной коалесценции капель, данный предмет остается плохо понятным с точки зрения термо - гидродинамики. Сложности включают в себя существенные изменения формы интерфейса, а также появление нескольких существенно различных масштабов скоростей, масштабов длин и масштабов времени. Смачиваемость оказывает существенное влияние. Фактически, относительно простая конфигурация эксперимента при падении холодной капли на другую каплю расположенную на нагретой текстурированной поверхности, создает междисциплинарную, многомасштабную и многофазную физическую проблему, требующую решения. Имеют место кардинальные вариации межфазной поверхности, причем наиболее значительные деформации длятся 1-2 мс. Авторы проекта считают, что движение трехфазной линии контакта играет важную роль в процессе коалесценции. Планируется экспериментально, с помощью двух синхронных высокоскоростных камер, исследовать гидродинамику взаимодействия капли с другой каплей в условиях их нагрева, что по мнению авторов проекта является одним из важных физических механизмов при интенсивном спрейном охлаждении особенно без формирования сплошных жидких пленок. Планируются эксперименты с каплями, помещенными бок о бок, и одна над другой на гидрофобной поверхности. Предполагается обратить особое внимание на вычисления касательных напряжений с использованием данных высокоскоростной сьемки. Данные исследования будут дополнены измерениями температуры обратной стороны тонкой фольги с помощью ИК-сканера. С помощью решения обратной задачи Каши будет определено локальное распределение поля температур на поверхности, где происходит коалесценция, а также поле локальных тепловых потоков и поле локальных коэффициентов теплоотдачи. Таким образом впервые удастся связать и совместно проанализировать гидродинамическую информацию о деформациях, скоростях и касательных напряжениях с информацией по теплообмену. 3. Численное моделирование гидродинамики и теплообмена при взаимодействии капли с изотермической и нагретой поверхностью, а также при коалесценции капель. Большинство исследований по коалесценции капель, приведенных в литературе выполнено в отсутствие твердых поверхностей. Капля соприкасается с твердой поверхностью и формирует динамическую трехфазную линию контакта. Несколько событий, таких как воздействие капель, испарение падающих капель или мягко размещённых на подложке, слияние капель, расположенных бок о бок или один над другой будет наблюдаться во время спрейного охлаждения. Эти и другие сопутствующие фундаментальные механизмы будут рассмотрены с помощью численного моделирования. Численное моделирование будет выполняться с использованием COMSOL®, коммерческого кода для уравнений Навье-Стокса и энергии. Эволюция формы капли при падении и комбинированной капли будет прогнозироваться моделью Кан-Хиллиарда. Плотность, теплопроводность и удельная теплота фазового перехода в вычислительном домене будет определяться с использованием правила смесей со ссылкой на переменную фазового поля. Трехфазная линия контакта будет рассматривается как динамическая. Твердые поверхности будут приниматься как супергидрофобные и свободные от закрепления линии контакта. Характеристики поверхностной энергии для падающей капли и комбинированной капли будут определяться с точки зрения динамического контактного угла смачивания, который будет определятся с использованием модели Кистлера. Таким образом в данной части работы с помощью численной модели будут смоделированы все основные физические механизмы для исследуемых процессов и выбраны оптимальные параметры. Будет выполнен сравнительный анализ исследуемых в проекте спрейных систем и анализ теплообменных характеристик с учетом данных из литературы. Будут разработаны предложения по оптимизации систем охлаждения электронного оборудования. В результате выполнения проекта будут получены новые экспериментальные данные, созданы теоретические модели, проведены комплексные расчеты, выполнены обобщения и предложены новые корреляции, а также технические решения и концепции. Проект отличает междисциплинарный характер и комплексный подход к поставленным задачам (теоретический и экспериментальный подходы, исследования на различных масштабах, локальные и интегральные измерения).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---