Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2020
Ключевые слова: Cмачиваемость, микроканалы, двухфазные потоки, гидрофобные поверхности, ультрагидрофобные поверхности, микрофлюидное оборудование, энергоэффективность численное моделирование, vof-метод
Аннотация: В рамках данного этапа работ проведён аналитический обзор литературных источников, содержащих информацию о способах и возможностях создания и применения ультрагидрофобных поверхностей на стенках микроканалов и разработке способов управления этими свойствами для уменьшения затрат энергии на перекачивание жидкостей в элементах микрожПоказать полностьюидкостной техники. Одним из интересных направлений исследований является изучение поверхностей с нанесёнными микротекстурированными слоями с предельно высокой или предельно низкой смачиваемостью и дальнейшее управление смачиваемостью этих наноструктур. К настоящему времени было проведено значительное количество исследований, направленных на определение влияние ультрагидрофобных свойств поверхностей как в изотермических, так и в теплообменных процессах в микроканалах. Критические параметры, влияющие на течение жидкости и теплообмен в условиях отсутствия смачивания – это тип текстуры, её форма и расположение, кривизна раздела фаз «жидкость-газ» (косвенный параметр), высоту микроканала и число Рейнольдса/Пекле. В свете вышесказанного очевидно, что разработка и оптимизация текстур поверхности необходимы для улучшения термогидравлических характеристик микроканалов. Из литературы также явствует, что влияние форм, размеров и расположения текстуры на течение и перенос тепла до сих пор систематически не изучено, подобные исследования пока что находятся на начальном этапе, при этом исследовательских работ по оптимизации стенок микроканалов за счёт ультрагидрофобных свойств этих стенок гораздо меньше, и большинство из существующих работ – экспериментальные, а численных исследований по данной тематике практически нет.?Построены расчётные сетки для численных исследований течения жидкости в микроканалах с текстурированными стенками и её взаимодействия с удержанным в них атмосферным воздухом. Сетки были структурированные прямоугольные во всём объёме, за исключением области, непосредственно прилегающей к коническим текстурам – там сетка была неструктурированная четырёхугольная. Благодаря этому удалось добиться устойчивой сходимости численного процесса. Детализация сетки составляла порядка 8 млн. ячеек – такого количества было достаточно для получения сетконезависимого решения.?В качестве основного подхода к решению поставленных задач используются методы вычислительной гидродинамики (CFD). В работе рассматриваются несжимаемые течения многокомпонентных жидкостей, для описания которых используется гидродинамический подход. В рамках этого подхода микротечения моделируются посредством решения системы уравнений Навье-Стокса. Вязкость и плотность смеси определяются через массовую долю компонентов смеси и молекулярные вязкости, а также парциальные плотности чистых компонент. Разностный аналог конвективно-диффузионных уравнений находится с помощью метода конечного объёма для многоблочных сеток. Полученные в результате дискретизации исходной системы дифференциальных уравнений разностные уравнения решаются итерационным способом с применением алгебраического многосеточного решателя. ?Для моделирования двухфазных течений использовалась численная методика, основанная на методе жидкости в ячейках. Идея этого метода состоит в том, что жидкость и газ рассматриваются как единая двухкомпонентная среда, и пространственное распределение фаз в пределах расчетной области определяется при помощи специальной функции-маркера.?С учётом приведённых выше моделей и с использованием построенных расчётных сеток были проведено численное моделирование течения жидкости в микроканале со структурированными текстурами на стенке микроканала с учетом наличия двухфазного потока, например, когда микрообъект изначально был пуст (заполнен воздухом) и затем заполнялся жидкостью. Было показано, что в этом случае пузырьки воздуха удерживаются между текстурами за счет капиллярных эффектов, и при течении жидкость будет скользить по поверхности воздушных полостей, удерживаемых этими текстурами. При числе Рейнольдса порядка 1000 часть воздуха уносится потоком жидкости, возникает поток сложной структуры, часть жидкости попадает в область между шероховатостями и, как следствие, коэффициент трения о стенку увеличивается. Такие структуры существенно неустойчивы и требуют детализированных сеток в области границы раздела фаз и высокопроизводительных вычислений. Однако, такие высокие числа Рейнольдса нехарактерны для микроканалов, поэтому далее рассматривались числа Рейнольдса менее 100. Было определено, что при таких числах Рейнольдса форма границы раздела фаз «жидкость-газ» остаётся симметричной – выпуклой или вогнутой, каких-то особенностей не обнаружено. При этом свойства границы раздела фаз «поверхность-жидкость-газ» играют ключевую роль в определении угла выпуклости или вогнутости поверхности раздела фаз «жидкость-газ», а именно задаётся равновесным контактным углом смачивания нетекстурированной поверхности – чем он больше, тем более выпуклой будет эта поверхность раздела. При контактном угле смачивания нетекстурированной поверхности более 104° эта поверхность становится вогнутой.?Было проведено сравнение результатов расчётов течения жидкости по микроканалу с 2,5% шероховатостью в однофазной и двухфазной постановках для чисел Рейнольдса 1, 10 и 100. Было обнаружено, что наличие капиллярно-удержанного воздуха во всех случаях уменьшает перепад давлений в канале, причём пузырьки воздуха не просто заполняют каждый промежуток текстуры, но собираются в более крупные пузыри, соединяющие несколько текстурных элементов. Кроме того, что с увеличением числа Рейнольдса размеры этих крупных пузырей уменьшаются. При числе Рейнольдса, равном 100, на переднюю кромку текстуры садится пузырёк воздуха, который удерживается там совместным воздействием набегающего потока жидкости и силы поверхностного натяжения.?В результате расчётов были определены значения перепада давлений в шероховатом канале для рассмотренных чисел Рейнольдса. Значения этой величины при наличии капиллярно удержанного воздуха сравнивались с аналогичными значениями для случая отсутствия воздуха в текстуре. Было обнаружено, что относительное уменьшение перепада давлений при числе Рейнольдса, равном 100, составляло 9,92%, при числе Рейнольдса, равном 10, – 14,63%, а при числе Рейнольдса, равном единице, – 18,47%. Такое поведение объясняется тем, что с увеличением числа Рейнольдса и, соответственно, скорости течения жидкости, капиллярно удержанный текстурой воздух отдавливается жидкостью всё глубже в текстуру, тем самым уменьшается площадь контакта «жидкость-газ», и возрастает гидродинамическое сопротивление. ?Другой не менее важной характеристикой является эффективная длина скольжения скорости на стенке, которая определяется как отношение средней скорости на стенке к среднему градиенту скорости на этой стенке. В результате было обнаружено, что эффективная длина скольжения изменяется таким же образом, как и перепад давлений – растёт с уменьшением числа Рейнольдса. Так, при числе Рейнольдса, равном 100, относительная длина скольжения составляет 13,027 нм или 13,027% от высоты элемента текстуры, т.к. эта высота равна 100 нм. Для числа Рейнольдса, равного 10, относительная длина скольжения составляет 36,022 нм (36,022%), а для числа Рейнольдса, равного единице – 56,327 нм (56,327%).?Кроме числа Рейнольдса ещё одной управляющей данным процессом характеристикой будет краевой угол смачивания поверхности жидкостью. Для всех рассмотренных выше случаев контактный угол смачивания поверхности водой в атмосфере воздуха был равен 72°. После этого был проведён расчёт для числа Рейнольдса, равного 100, в идентичной постановке, но для контактного угла смачивания, равного 30°. Обнаружено, что граница раздела фаз между удержанным текстурой воздухом и жидкостью стала более выпуклой, чем для контактного угла в 72°, и жидкость проникает более глубоко в текстуру и сильнее отдавливает пузырьки воздуха. Именно этим – что подобная структура не создаёт прослойку воздуха между жидкостью и текстурой, можно объяснить то, что перепад давлений в случае контактного угла в 30° оказался на 2,1% больше, чем при отсутствии капиллярно удержанного воздуха. Эффективная длина скольжения была равна 8,16011 нм.?Далее был рассмотрен другой метод моделирования наличия текстурированной стенки с капиллярно удержанным в ней воздухом и влияния наличия подобной стенки на коэффициент гидродинамического сопротивления такого канала, а также эффективной длины скольжения на стенке. Рассматривался трёхмерный микроканла прямоугольного поперечного сечения. На боковых стенках канала задавались периодические граничные условия, таким образом ширина канала считалась бесконечной. На верхней стенке задавались условия прилипания. Нижняя стенка представляла собой комбинацию участков текстурирования с граничными условиями прилипания и участков свободной поверхности, имитирующей воздушные полости между текстурами. На участках свободной поверхности задавалось скольжение скорости потока на стенке с помощью условия равенства нулю напряжения сдвига. Расчёты проводились для различных чисел Рейнольдса, а полученные результаты сравнивались с обычным нетекстурированным каналом. Сначала была проведена серия расчётов течения воды в щелевом микроканале с высотой, равной 10 мкм, а длина варьировалась в промежутке от 25 мкм до 500 мкм. Числа Рейнольдса варьировались за счёт изменения средней скорости потока в пределах от 0,1 до 100. ?В результате расчётов было установлено, что перепад давлений в текстурированном микроканале был меньше, чем в обычном канале для любой его длины и для любых чисел Рейнольдса. Вследствие этого влияние наличия текстур на стенке микроканала можно рассматривать в виде безразмерного отношения перепада давлений в канале без текстурированных стенок к перепаду давлений в канале с текстурированной стенкой, который имеет линейную зависимость от числа Рейнольдса, причём с увеличением относительной длины канала уменьшается наклон этой прямой. По-видимому, это связано с тем, что верхняя стенка микроканала является нетекстурированной, и с увеличением длины канала увеличиваются потери на трение на этой стенке. При этом, даже для длинного канала, где относительный перепад давлений не зависит от числа Рейнольдса, его значение составляет порядка 1,2, то есть применение текстурированной стенки позволяет снизить гидродинамические потери в таком микроканале на 20%. Эффективная длина скольжения на стенке нелинейно зависит как от числа Рейнольдса, так и от приведённой длины канала, среднее значение которой составляет порядка 630 нм или 6.3% от высоты микроканала.?Далее было исследовано влияние наличия текстурирования на стенке микроканала на коэффициент гидродинамического сопротивления. Согласно теории, коэффициент трения для щелевого канала равен 24/Re, однако для текстурированного микроканала эта величина хорошо описывается соотношением вида 20/Re, а для малых приведённых длин канала эта зависимость начинает отклоняться от этого соотношения, причём чём больше число Рейнольдса, тем сильнее это отклонение. После обработки всех полученных результатов была предложена корреляция, описывающая поведение относительного перепада давлений в микроканале, следующего вида: dp = 1,8·10–11/L1.5·Re + 1,1·10–6/L0.8+1,19. Сопоставив относительный перепад давлений, полученный с помощью этой корреляции с результатами расчётов, было обнаружено, что предложенная корреляция описывает полученные результаты с точностью более 95%.?После этого была проведена серия расчётов течения воды в щелевом микроканале с длиной, равной 100 мкм, а высота варьировалась от 2,5 мкм до 100 мкм, а числа Рейнольдса – от 0,1 до 100. В результате расчётов было установлено, что перепад давлений в таком микроканале также был меньше, чем в обычном канале для любой его высоты и для любых чисел Рейнольдса. Относительный перепад давлений нелинейно зависит как от числа Рейнольдса, так и от относительной высоты. При этом, с увеличением относительной высоты канала меняется поведение зависимости относительного перепада давлений от числа Рейнольдса – для наименьшей высоты канала наклон этой кривой отрицательный, для высоты канала 5 мкм кривая практически параллельна горизонтальной оси, а, начиная с высоты 7,5 мкм, наклон кривой становится положительным и возрастает с увеличением высоты канала. Применение текстурированной стенки позволяет снизить гидродинамические потери в таком микроканале в среднем на 32%.?Эффективная длина скольжения на стенке нелинейно уменьшается с уменьшением высоты канала. При этом зависимость от числа Рейнольдса довольно слабая. Однако, проводить такое сравнение не совсем корректно, т.к. высота канала существенно меняется. Поэтому была рассмотрена зависимость относительной эффективной длины скольжения от числа Рейнольдса, значения которой получены путём деления эффективной длины скольжения на высоту канала. Наибольшее значение относительной эффективной длины скольжения наблюдается для канала с наименьшей высотой, причём значение этой величины уменьшается с ростом числа Рейнольдса. Её среднее значение было порядка 15%. Для каналов с высотами 5 мкм и 7,5 мкм также наблюдается незначительное уменьшение значения этой величины с ростом числа Рейнольдса, а, начиная с высоты канала, равной 10 мкм, значения величины относительной эффективной длины канала не зависит от числа Рейнольдса. Для наибольшей высоты канала, равной 100 мкм, относительная эффективная длина скольжения равна порядка 3% от высоты канала.?Далее было исследовано влияние наличия текстурирования на стенке микроканала на коэффициент гидродинамического сопротивления. Как уже было сказано выше, согласно теории, коэффициент трения для щелевого канала равен 24/Re, однако для текстурированного микроканала эта величина также хорошо описывается соотношением вида 20/Re, причём для больших и, особенно, малых значений приведённых высот канала эта зависимость начинает отклоняться от этого соотношения, и чём больше число Рейнольдса, тем сильнее это отклонение. После обработки всех полученных результатов была предложена корреляция, описывающая поведение коэффициента сопротивления: lamb_eff = 4,631/Re1,025·(ln(h)+11,513) – 1432,51/Re0,95·h0,5 + 24/Re. Сопоставив полученный с помощью предложенной корреляции относительный перепад давлений с результатами расчётов, было обнаружено, что предложенная корреляция описывает полученные результаты с точностью порядка 90%. Таким образом можно заключить, что использование текстурированных поверхностей позволяет снизить перепад в микроканалах и повысить их энергоэффективность.?Таким образом план работ научного исследования в отчётном периоде был выполнен полностью и даже перевыполнен – были начаты исследования влияния на зависимости перепада давлений и средней длины скольжения жидкости на текстурированной стенке микроканала различных форм текстуры поверхности таких микроканалов, а также расположения текстур на поверхности таких микроканалов.