Ub — скорость пузыря, м/с
Uret - скорость пузыря относительно жидкости, м/с
и - распределение скорости жидкости, м/с
V— объем пузыря, м3
Vm—измеряемый объем, м3
W— ширина, м, мощность, Вт
We — число Вебера = pU2D/cr
u,v, w — компоненты скорости в направлении х, у, z соответственно, м/с
х, X— расстояние от нижней кромки нагревателя, м
хм-весовая концентрация =ММ/(ММ +Ма1Г)
Xt — расстояние от верхней кромки нагревателя, м
Хп — расстояние от сопла пленкоформирователя до верхней кромки нагревателя, м
х, у, z — декартовы координаты, м
Греческие символы
а- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К
а0, aav- средний коэффициент теплоотдачи = q/AT0, Вт/м2К
ас- коэффициент теплоотдачи при конвекции = ql(Tw-Ta), Вт/м2К
aF — коэффициент теплоотдачи = q/ATF, Вт/м2К
aNus— расчетное значение среднего коэффициента теплоотдачи, Вт/м2К
а,- коэффициент теплоотдачи с поверхности пленки =qj( Tsur —TJ, Вт/м2К *
asur— локальный коэффициент теплоотдачи =q/(Tw—Tsur), Вт/м2К
а,, ах — локальный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К
аср— среднее значение коэффициента теплоотдачи по всему массиву данных, Вт/м2К
/3— коэффициент объемного расширения, К"1, краевой угол, град
Г — удельный массовый расход жидкости, кг/мс
Гу— удельный объемный расход жидкости, м2/с
д- толщина пленки, зазора, м
6Н — толщина начального гидродинамического слоя, м
8
«^•—толщина теплового слоя , м е — диэлектрическая проницаемость е — малый параметр <р, ф - газосодержание в жидкости
к — отношение эквивалентного радиуса пузыря к внутреннему радиусу трубы = Rb /RT Л. — теплопроводность жидкости, Вт/мК Л - расстояние между гребнями струй, м ju — динамическая вязкость жидкости, кг/мс v - кинематическая вязкость жидкости, м2/с 0- угол наклона пластины, град в — безразмерная температура сг — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м
сгт- производная коэффициента поверхностного натяжения по температуре = сг/Т, Н/ мК т — безразмерное время = t/x0 т0 — период следования пузырей, с г— касательное напряжение, Н/ м2 р— плотность жидкости, кг/м3 /7^ - плотность парогазовой смеси, кг/м3 V — функция тока со — завихренность
i2 — тепловой фактор, отношение плотности теплового потока, идущего на испарение к плотности теплового потока от нагревателя к пленке жидкости =g/q, граница всплывающего пузыря
Индексы
av - среднее значение Ъ — пузырь с — канал сг — кризис
/ — жидкость, локальная величина
max — максимальное значение
min — минимальное значение
F— величина, рассчитанная для среднемассовой температуры
sub — недогрев
sur —поверхность
Т - труба, турбулентный
V —пар
vg — парогазовая смесь
W — стена, волновой
О — величина, рассчитанная при начальных параметрах течения
кр — кризис
Введение.
Постановка проблемы и ее актуальность.
Основаниями данной работы стали как чисто фундаментальные проблемы (динамика движения одиночных газовых образований, капиллярные эффекты при взаимодействии пузырей со стенками каналов, термокапиллярные эффекты при локальном нагреве пленки, неустойчивость течения пленки жидкости и формирование струй на ее поверхности), так и научно-технические проблемы (интенсификация теплообмена, охлаждение и термостабилизация).
Исследовались течения с естественной циркуляцией, вызванные действием гравитации. В работе рассматриваются газожидкостные потоки с характерным масштабом, занимающим промежуточное значение между широко используемыми в энергетике и технике течениями с внутренней и внешней сторон протяженных труб, как правило, длиной несколько метров и диаметром 40-200 мм и течениями в микроканалах, имеющими характерный поперечный размер менее 0.2 мм, применяемыми в микроэлектронике, медицине, криогенной и холодильной технике. Минимасштабность (соизмеримость геометрических масштабов, в направлении поперечном основному течению, с внутренними масштабами газожидкостных систем (Кутателадзе, 1982)) приводит к рассмотрению газожидкостных 1потоков»';с выделенными и локализованными фазами (одиночные пузыри, пленки, струи).
Исследовались течения в непротяженных каналах и на поверхностях, длиной, как правило, менее 0.5 метра, что в некоторых случаях приводило к необходимости учета начального участка течения жидкости. Использование нагревательных элементов относительно малого размера было вызвано, как необходимостью моделировать отвод тепла от элементов микроэлектроники, так и желанием создать максимальные \ температурные градиенты, недостижимые на протяженных нагревателях. При этом становилось существенным влияние начального теплового участка.
Особенностью исследований было изучение процессов при малых числах Рейнольдса (Re<1000). Поэтому в работе рассматриваются в основном ламинарные течения.
Экспериментальное и теоретическое исследование гидродинамики всплытия пузырей в погруженных и тупиковых каналах разной конфигурации важно для понимания механизма влияния жесткой границы и условий организации течения в каналах на форму и динамику замкнутых газовых образований. Переход от пузырькового к снарядному и пленочному (кольцевому) течениям при кипении и испарении сопровождается сложным влиянием капиллярных сил, вызывающих перестройку течений. При движении пузырей вблизи твердой стенки с локальным нагревателем существенными становятся нестационарные эффекты, вызванные создаваемыми пузырями возмущениями. При локальном нагреве пленки жидкости возникают значительные поверхностные градиенты температуры, приводящие к термокапиллярным эффектам, вызывающим образование устойчивых регулярных структур (Кабов, 1994, 1999), исследование которых имеет фундаментальное значение.
Актуальность проводимых исследований определялась необходимостью охлаждения микроэлектронного оборудования, интенсификации теплообмена на
сложных структурированных поверхностях при выпаривании и конденсации, а также необходимостью совершенствования компактных теплообменников.
Исследования теплообмена в испарительно-конденсационных системах термостабилизации микроэлектронного оборудования проводятся в лаборатории Интенсификации процессов теплообмена с 1988 г. В 1988-1993 гг. основное внимание было сосредоточено на исследовании гидродинамики и механизма теплообмена в элементах систем охлаждения Супер-ЭВМ. Анализ существующих подходов и методов к этой проблеме содержится в работе (Kabov, Chinnov et al., 1993).
Среди большого класса систем охлаждения микроэлектронного оборудования выделяются два типа систем охлаждения: погружные и пленочные. В отличие от многих других систем, например с разветвленной схемой вынужденного движения жидкости, которые были нацелены на охлаждение Супер-ЭВМ, эти два типа в большей степени сохранили свою актуальность и могут быть использованы также для охлаждения отдельных наиболее энергонапряженных электронных блоков и модулей. В последнее время в связи с ростом быстродействия персональных ЭВМ становится актуальным использование жидкостных систем для охлаждения процессоров.
В погружных системах охлаждения отвод тепла от локального источника происходит в заполненных жидкостью камерах за счет естественной конвекции. На наиболее теплонапряженных участках возможно кипение жидкости и кризис теплоотдачи. Интенсивность теплоотдачи лимитируется кризисом теплоотдачи. В конвективной области и в начальной стадии кипения может значительно возрастать перегрев поверхности нагрева. Поэтому важным является изучение кипения и кризиса теплоотдачи на нагревателях малого размера, гидродинамики движения газовых пузырей в погруженных каналах и влияния газовых пузырей на интенсификацию теплообмена от локальных нагревателей.
Охлаждение больших интегральных схем с помощью стекающих пленок жидкости, также является актуальным, так как имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием естественной и вынужденной конвекции к однофазной, жидкости, кипения и натекающих струй. В рассматриваемых вариантах пленочных систем охлаждения микроэлектронного оборудования, опубликованных в работах: (Agonafer. et al., 1968), (Mudawwar et al., 1987) и (Kabov et al., 1995), жидкость стекает под действием гравитации по вертикально расположенным печатным платам с чипами. Передача тепла возможна как при испарении или кипении, так и при конвективном теплообмене к недогретой до температуры насыщения пленке жидкости. Толщина стекающей пленки диэлектрической жидкости составляет порядка 0.1-1.5 мм, что позволяет использовать в системе охлаждения малое количество жидкости. Конвективный теплообмен в тонкой пленке обеспечивает достаточно высокий коэффициент теплоотдачи. На поверхности теплообмена отсутствуют пульсации давления и температуры, характерные для кипения жидкости.
Процессы в тонких пленках жидкости широко используются в испарительно-конденсационных системах, так как обеспечивают высокую интенсивность процессов тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах. Гравитационно стекающие пленки применяются в испарителях низкого давления при концентрировании пищевых продуктов, в аппаратах для опреснения морской воды и в ректификационных колоннах. Интенсивность теплоотдачи при испарении возрастает с уменьшением толщины пленки жидкости, но использование слишком тонких пленок жидкости недопустимо в силу повышения вероятности ее разрыва и возникновения кризиса теплоотдачи. Стекающие пленки подвержены
волновым процессам, вызванным _ их неустойчивостью, что приводит к неравномерному орошению и протяженным участкам тонкой пленки с ламинарным течением при' достаточно больших средних расходах жидкости. Исследования нагрева пленок при малых числах Рейнольдса (Re<2) крайне малочисленны. Основной задачей совершенствования испарителей низкого давления является интенсификация процессов тепло-массообмена и повышение устойчивости стекающих пленок к разрывам. Особенностью стекания пленок по негладким поверхностям является неоднородность их нагрева. Неоднородность нагрева жидкости также имеет место при волновом движении пленок. Неравномерность плотности теплового потока к стекающей по внутренней поверхности гладкой трубы пленке может быть вызвана оребрением наружной поверхности для интенсификации теплоотдачи. На практике ребра могут иметь разный размер и расположение. Поэтому важно исследовать влияние размеров тепловыделяющих элементов на гидродинамику и теплообмен.