Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2021
Ключевые слова: Cмачиваемость, микроканалы, двухфазные потоки, гидрофобные поверхности, ультрагидрофобные поверхности, микрофлюидное оборудование, энергоэффективность численное моделирование, vof-метод
Аннотация: В результате выполнения проекта проведен дополнительный 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 миПоказать полностьюкрожидкостной техники. По результатам данного аналитического обзора сделаны выводы, что к настоящему времени было проведено некоторое 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), высота микроканала и число Рейнольдса/Пекле. Показано, что взаимодействие этих параметров влияет на термогидравлические характеристики текстурированных микроканалов. На сегодняшний день достигнуто понимание того, что поля скорости и температуры в микроканале находятся под влиянием двумерных текстур. В свете вышесказанного очевидно, что разработка и оптимизация текстур поверхности необходимы для улучшения термогидравлических характеристик микроканалов. ?В качестве основного подхода к решению поставленных задач использовались 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 структурированных 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. Для моделирования поверхностного натяжения в рамках VoF-метода применялся алгоритм CSF (континуальная поверхностная сила).?Были 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. Как отмечалось, проблемой прямого численного моделирования является необходимость достаточно детальных расчетных сеток для разрешения фазовой границы. Для решения этой задачи в работе была применена технология градиентной адаптации расчетной сетки. Благодаря этой технологии расчетная сетка автоматически сгущается в области больших градиентов решения в процессе расчета. При этом в качестве управляющего параметра используется градиент объемной доли воздуха. Ячейки сетки в области интерфейса были значительно меньше, чем в исходной сетке. Благодаря этой технологии удалось получить приемлемое по точности решение на не слишком детализированных расчетных сетках. Несмотря на то, что оба метода (VoF и градиентная адаптация сетки) очень требовательны к вычислительным ресурсам, только эти подходы позволяют разрешить межфазную границу между двумя несмешивающимися флюидами, близкую к истинной.?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. Высокие числа Рейнольдса (порядка 1000) нехарактерны для микроканалов, поэтому далее рассматривались числа Рейнольдса в пределах от единицы да 100. ?Было проведено исследование влияния различных краевых углов смачивания между жидкостью и воздухом, капиллярно захваченных текстурами, расположенными на стенке микроканала, на гидродинамические характеристики такого канала, а именно: перепад давления и эффективная длина проскальзывания. В результате расчетов установлено, что зависимости перепада давления между началом и концом текстурированной области от краевого угла смачивания для различных чисел Рейнольдса имеют минимум при краевом угле смачивания, равном 90° для каждого Число Рейнольдса. Был определён относительный перепад давления как отношение значения перепада давления, полученного в двухкомпонентном случае, к аналогичному значению, но полученному в однокомпонентном случае, т.е. без капиллярного захвата воздуха в микротекстурированной структуре. Причём такой относительный перепад давления рассчитывался как для текстурированной области, так и для всего микроканала. Установлено, что между этими зависимостями есть некоторые сходства и различия. ?В расчетах также была получена эффективная длина проскальзывания скорости на стенке, зависимость которой от числа Рейнольдса для различных краевых углов смачивания уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. Также были рассмотрены зависимости эффективной длины скольжения от краевого угла смачивания при различных числах Рейнольдса. Установлено, что эти зависимости соответствуют полученным ранее зависимостям перепада давления в части достижения максимума при краевом угле, равном 90°. Также установлено, что средняя эффективная длина скольжения при Re = 1 равна 100 нм или 5% высоты микроканала.?Также было обнаружено, что зависимость эффективной длины проскальзывания от краевого угла смачивания аналогична распределению Гаусса и построена корреляционная зависимость, описывающая поведение эффективной длины проскальзывания в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Для достижения этой цели было произведено преобразование осей координат. Значения по оси y делили на максимальное значение для каждой из кривых и умножали на коэффициент, равный 0,45; из значений по оси абсцисс вычитали значение, равное 90, и полученный результат делили на 15. ?Далее было проведено систематическое исследование влияния различных расстояний между шероховатостями на перепад давления и эффективную длину проскальзывания. В результате расчетов установлено, что зависимости перепада давления между началом и концом текстурированной области, а также между входом и выходом микроканала от расстояний между шероховатостями для различных чисел Рейнольдса линейно зависят от числа Рейнольдса, кроме того, перепад давления увеличивается с увеличением длины текстурированной области или длины микроканала. Определены относительные перепады давления между входом и выходом микроканала при различных расстояниях между соседними шероховатостями пропорциональны друг другу. Также установлено, что максимальное снижение перепада давления за счет капиллярно захваченного воздуха наблюдается при числе Рейнольдса, равном единице, и при наименьшем расстоянии между шероховатостями. Это значение было равно 20%.?В расчетах также была получена эффективная длина скольжения скорости. Установлено, что её зависимость от числа Рейнольдса для различных расстояний между соседними шероховатостями уменьшается с увеличением числа Рейнольдса и увеличивается с уменьшением расстояния между микростолбами. Также установлено, что средняя эффективная длина скольжения при Re = 1 равна 100 нм или 5% высоты микроканала.