Год издания: 2020
Ключевые слова: Cмачиваемость, микроканалы, двухфазные потоки, гидрофобные поверхности, ультрагидрофобные поверхности, микрофлюидное оборудование, энергоэффективность численное моделирование, vof-метод
Аннотация: В настоящее время большое внимание уделяется вопросам энергоэффективности и энергосбережения. В различных областях науки и техники, например, в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике активно продвигается миниатюризация устройств и технологических процессов. В связи с этим, равно как и с бурным развитием электроники и меПоказать полностьюдицины, наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике в микросистемах. По мере развития микро- и нанотехнологий и внедрения их в различные отрасли человеческой деятельности (электроника, химическая, биологическая, пищевая индустрии) всё чаще возникают задачи о течении жидкости в микро- и наноканалах. Микроканалы – каналы, характерный гидравлический диаметр которых порядка 100 мкм, в настоящее время получили очень широкое распространение в различных приложениях. Их применяют для транспорта наночастиц, бактерий, молекул ДНК, охлаждения микроэлектронных устройств, в качестве химических реакторов для микроскопических количеств вещества и многого другого. Однако основное преимущество микросистемной техники – её миниатюрность, одновременно является и её основным недостатком, так как при уменьшении среднего характерного размера канала существенно увеличиваются затраты энергии на прокачивание жидкостей сквозь такие каналы в следствие значительного роста гидравлического сопротивления. Так, например, скорость течения воды в микроканале со средним гидравлическим диаметром 100 мкм при числе Рейнольдса, равном единице будет равно 10 м/с, а перепад давлений в канале такого поперечного размера и длиной 5 см составит около 3,16 атм. Таким образом, на микромасштабном уровне основную роль в поведении жидкостей начинают играть поверхностные эффекты. Поэтому оптимизация течения жидкостей в микроканалах может быть достигнута именно за счёт управления подобными эффектами. Одним из наиболее важных эффектов является так называемое скольжение жидкости на стенке, другими словами, ситуация, в которой скорость жидкости на стенке отлична от нуля. Добиться такого эффекта можно различными методами, в первую очередь, за счет использования супергидрофобных поверхностей – поверхностей, объединяющих в себе естественную гидрофобность с текстурированностью (в общем случае – шероховатостью), что приводит к практически полному несмачиванию. Равновесный краевой угол на таких поверхностях обычно находится в пределах 150–180°. А управление формой, размерами и расположением текстур на таких поверхностях дает возможность контролировать процесс стабилизации пузырьков газа (в основном, атмосферного воздуха) внутри полостей этих текстур, так как, согласно теории, именно течение жидкости в каналах вдоль газовой фазы позволит добиться максимальной скорости жидкости у стенки. Следовательно, проблема нахождения оптимальных комбинаций форм, размеров и расположения текстур для максимального снижения гидравлического сопротивления микроканалов является одной из самых актуальных в вопросе повышения энергоэффективности микрофлюидного оборудования, а использование в широком смысле микро- и нанотехнологий, а также современных численных методов является одним из возможных и перспективных способов решения этой проблемы. Поэтому целью данного проекта является исследование возможности создания ультрагидрофобных поверхностей на стенках микроканалов и разработка способов управления этими свойствами для уменьшения затрат энергии на перекачивание жидкостей в элементах микрожидкостной техники при помощи микро- и нанофлюидных технологий с использованием численного моделирования.?Новизна проекта состоит в комплексном подходе к систематическому изучению применения ультрагидрофобных поверхностей в технологиях разработки и эксплуатации микрофлюидного оборудования. Важно подчеркнуть, что будет рассмотрен широкий спектр явлений, процессов и параметров, которые позволяют управлять ультрагидрофобными свойствами стенок микроканалов и добиться существенного снижения коэффициента гидродинамического трения на таких стенках, тем самым повысить энергоэффективность различных элементов микрожидкостной техники. Программа исследований проекта включает изучение ламинарного движения жидкости в микроканалах, стенки которых обладают ультрагидрофобными свойствами, причём управление этими свойствами может осуществляться с помощью различных механизмов, в частности за счёт упорядоченного и неупорядоченного микротекстурирования поверхности стенок микроканалов. Проект состоит из нескольких взаимосвязанных между собой разделов: ??1. Исследование течения жидкости в микроканалах с текстурированными стенками и её взаимодействия с удержанным в подобных текстурах атмосферным воздухом при малых и умеренных числах Рейнольдса;?2. Исследование зависимости от числа Рейнольдса формы и свойств границы раздела фаз «жидкость-газ», а также границы раздела фаз «поверхность-жидкость-газ» в микроканалах с текстурированными стенками;?3. Исследование влияния равновесного контактного угла смачивания нетекстурированной поверхности на среднюю длину скольжения жидкости на текстурированной стенке микроканала, а также на перепад давлений в микроканалах с текстурированной поверхностью стенок при малых и умеренных числах Рейнольдса;?4. Исследование влияния размеров текстур поверхности стенок микроканала на среднюю длину скольжения жидкости на таких стенках, а также на перепад давлений в микроканалах с текстурированной поверхностью стенок при малых и умеренных числах Рейнольдса;?5. Исследование влияния формы текстуры поверхности стенок микроканала на среднюю длину скольжения жидкости на таких стенках, а также на перепад давлений в микроканалах с текстурированной поверхностью стенок при малых и умеренных числах Рейнольдса;?6. Исследование влияния расположения текстур на поверхности стенок микроканала на среднюю длину скольжения жидкости на таких стенках, а также на перепад давлений в микроканалах с текстурированной поверхностью стенок при малых и умеренных числах Рейнольдса;?7. Анализ и систематизация полученных данных, и разработка на их основе практических рекомендаций по использованию ультрагидрофобных поверхностей на стенках микроканалов и управлению этими свойствами в микрофлюидных технологиях, позволяющих существенно повысить энергоэффективность микрофлюидного оборудования за счёт существенного снижения коэффициента гидродинамического трения на таких стенках, и, следовательно, уменьшения затрат энергии на перекачивание жидкостей в элементах микрожидкостной техники.