Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 2, стр. 285-314

Современная тенденция в направлении узких каналов

Течение жидкости в каналах можно рассматривать как сердце многих природных и промышленных систем. Тепломассоперенос осуществляется вдоль стенок каналов, существующих в биологических системах, например кровеносных сосудах, почках, легких, головном мозге, а также во многих промышленных системах: теплообменниках, воздухоразделительных установках, системах опреснения воды и атомных энергетических реакторов. На рис. 1 показан диапазон размеров каналов, применяемых в различных системах [1, 2]. В то время как наименьшие каналы наблюдаются в биологических системах, в которых имеет место массоперенос, большие размеры используются для транспортировки жидкостей. С технологической точки зрения в последние годы наблюдается устойчивый переход от каналов больших размеров порядка 10–25 мм к каналам меньших диаметров – десятки–сотни мкм.

Рис. 1.

Диапазоны диаметров каналов, применяемых в различных приложениях [1].

Как правило, процесс переноса энергии совершается вдоль стенки канала, тогда как объемный поток проходит через область поперечного сечения канала. Скорость транспортировки зависит от площади поверхности и находится в линейной зависимости от диаметра круглой трубы D, скорость потока прямо пропорциональна площади поперечного сечения D². Так, отношение площади поверхности канала к объему пропорционально 1/D. Очевидно, что уменьшение диаметра канала приводит к увеличению отношения площади поверхности к объему.

При переходе к меньшим размерам канала некоторые из традиционных принципов течения жидкости, массопереноса и переноса энергии необходимо подвергнуть переоценке для подтверждения или пересмотра. Можно назвать три основные причины, объясняющие разницу в моделировании потока жидкости в обычных и мини- и микроканалах:

1) некоторые изменения заложены в фундаментальных принципах; например, гипотеза непрерывности может быть неверна для течений газа в мини- и микроканалах, или отклонение возникает из-за усиленного действия некоторых сил (например, электрокинетических);

2) неопределенности, связанные с факторами, извлеченными эмпирически из экспериментов в каналах большого размера (например, коэффициенты потери давления потока жидкости на входе и выходе из трубы);

3) неопределенности, возникающие при микромасштабных измерениях из-за геометрии или рабочих условий.

Причины, которые вызывают такой интерес к каналам меньших размеров в теплообменных приложениях, следующие [1]:

1) заметная интенсификация теплообмена,

2) улучшенная диссипация теплового потока в микроэлектронных схемах и устройствах,

3) развитие устройств микронных масштабов, для которых требуются столь же маленькие системы охлаждения.

Использование каналов меньшего размера обеспечивает лучшую передачу тепла, хотя и сопровождается, как правило, увеличением перепада давления. Оптимальный баланс между этими параметрами приводит к разным размерам каналов для различных приложений. Например, в автомобильной промышленности размеры проточных каналов в испарителях и радиаторах достигают почти 1 мм в результате баланса между стандартами чистоты, теплообменом и мощностью прокачки. Точно так же высокие тепловые потоки, генерируемые микроэлектронными устройствами, а также геометрические и размерные ограничения, налагаемые микронными устройствами и электромеханическими системами, требуют резкого уменьшения размеров проточных каналов, предназначенных для систем охлаждения в них. Кроме того, для охлаждения зеркал, используемых в мощных лазерных устройствах, применяются системы, занимающие чрезвычайно мало места. Непрерывный прогресс в области генетической и биомедицинской инженерии зависит от контроля точности переноса и температуры потока жидкости в микропроходах. Следовательно, четкое понимание процесса теплообмена и течения жидкости в таких микромасштабных системах имеет решающее значение при проектировании и эксплуатации.

Классификация каналов

Гидравлический диаметр может служить индикатором для учета размеров канала и последующей их классификации. Уменьшение размеров канала по-разному влияет на различные процессы. Хотя вывод конкретных критериев на основе различных параметров процесса кажется захватывающим, в литературе обычно используется простая классификация на основе размеров из-за обилия параметров процесса, возникающих при переходе от обычных к микроразмерам. В классификации каналов, предложенной в [3], диапазон от 1 до 100 мкм соответствует микроканалам, от 100 мкм до 1 мм – мезоканалам, от 1 до 6 мм – компактным каналам и диапазон более 6 мм – обычным каналам.

Авторы [4] улучшили предложенную в [3] классификацию каналов и затем представили [1] более общую классификацию на основании минимального размера канала, показанную в табл. 1. В случае, если канал некруглый, за D рекомендуется принимать наименьший размер канала; например, в прямоугольном канале меньшая сторона рассматривается как D. Данная классификация каналов может использоваться для приложений как с однофазным, так и с двухфазным потоком.

В частности, для случая теплообмена с фазовым переходом каналы с различными масштабами классифицируются в соответствии с числом Бонда Bo, как предложено в [5] для выражения перехода от макромасштабного теплообмена к микромасштабному, показанному в табл. 1. Число Бонда учитывает влияние давления, температуры и некоторых теплофизических свойств жидкости и определяется следующим образом:

Для воды при 373 К капиллярная постоянная l_C составляет примерно 2.72 мм. На основании классификации [5] каналы с диапазоном гидравлического диаметра D_h от 600 до 4720 мкм можно рассматривать как миниканалы для приложений с водой в качестве базовой жидкости. В табл. 2 показана классификация каналов на основе числа Бонда Bo для воды при 373 К.

В настоящем обзоре собраны экспериментальные исследования, которые соответствуют обоим критериям выбора мини- и микроканалов (табл. 1, 2), чтобы обеспечить корректное определение классификации каналов, а также надлежащий набор исследований мини- и микроканалов.

Классификация наножидкостей

Методы, применяемые для интенсификации теплообмена в различных ситуациях, делятся в основном на две категории: пассивные и активные. Для активных методов требуется подвод внешней энергии, что имеет свои недостатки, связанные с дороговизной, а также трудностью при работе с существенно компактными системами. Напротив, пассивная интенсификация теплообмена обычно достигается за счет изменения характеристик жидкости, таких как нарушение потока из-за формы поверхности, кривизны канала или прикрепленных объектов (например, различных типов ребер), что приводит к увеличению площади поверхности, смешиванию потоков и турбулентности; использование вторичных/закрученных потоков; внеплоскостное смешение в микроканалах; препятствия, направленные к входу; шероховатость и обработка поверхности. Однако в данных пассивных технологиях внутренним ограничением является достаточно низкая теплопроводность рабочих тел. Теплопроводность воды, составляющая около 0.6 Вт/(м К), и самая высокая теплопроводность среди широко используемых сегодня жидкостей на несколько порядков меньше, чем у большинства металлов и оксидов металлов [6]. Таким образом, добавление наночастиц в базовые рабочие жидкости для улучшения теплопроводности рассматривается как пассивный метод повышения теплообмена.

Введение частиц в основную жидкость для повышения теплопроводности на самом деле не новая идея. В прошлом из-за производственных ограничений можно было производить только микрочастицы, которые использовались в системах с узкими каналами. Однако применение микрочастиц вызывало серьезные последствия: из-за нестабильности суспензии макрочастиц в жидкости в резервуарах и трубах образуются осадки, засорение проточных каналов, эрозия клапанов и насосов и существенное повышение скачка давления. В дальнейшем в целях повышения теплоотдачи наночастицы размером менее 100 нм стали добавлять до взвешенного состояния в основные водные теплоносители, этиленгликоль (используется в качестве хладагента в радиаторах транспортных средств), легкие масла и хладагенты [7]. Броуновское движение, улучшающее стабильность наночастиц, взвешенных в жидкости, предотвращает гравитационное осаждение и скопление частиц, и наночастицы могут распространяться и удерживаться во взвешенном состоянии в основных жидкостях намного лучше, чем микрочастицы [8]. Наночастицы обычно изготавливаются из металлов (например, Au, Ag, Cu), оксидов металлов (ZrO₂, TiO₂, Al₂O₃), углерода (углеродные нанотрубки и алмаз), стекла или других материалов. Сообщается [9], что вода обладает самым высоким потенциалом для изготовления суспензий с наночастицами по сравнению с другими основными жидкостями: например, аммиаком, фреоном R-22, фторсодержащими углеводородами в смеси с водой и углеводородами. На рис. 2 продемонстрированы многовариантность и сложные взаимосвязи между параметрами, влияющими на основные теплофизические свойства наножидкостей, которые могут напрямую влиять на характеристики теплообмена.

Рис. 2.

Многовариантность и сложные взаимосвязи в наножидкостях [13].

Термальные наножидкости, разработанные для улучшения теплообмена, обладают следующими преимуществами по сравнению с обычными суспензиями [6]:

– более высокая удельная поверхность, т.е. большая поверхность теплообмена между частицами и жидкостью;

– более стабильная дисперсия и суспензия за счет броуновского движения частиц;

– сниженное забивание частицами по сравнению со шламами, что позволяет уменьшать размеры систем;

– возможность регулировать свойства жидкости, в частности смачиваемость и теплопроводность, за счет изменения концентрации наночастиц для удовлетворения различных задач теплообмена;

– уменьшение мощности накачки по сравнению с чистыми жидкостями для достижения аналогичной интенсификации теплообмена.

Наножидкости можно разделить на категории на основании материалов наночастиц в основной жидкости. Наиболее распространенным видом наножидкостей является наножидкость, в которой наночастицы одного материала диспергированы в основной жидкости [10, 11]. Обычно концентрация наночастиц в жидкости не превышает 10%, а размер составляет менее 100 нм [12]. Чтобы лучше понять влияние наночастиц на тепловые характеристики, в настоящем обзоре исследованы наножидкости, подпадающие в одну из следующих категорий: 1) частицы из оксидов металлов, 2) металлические, 3) углеродистые.

1) Частицы из оксидов металлов являются одними из наиболее широко используемых типов наножидкостей из-за доступности, стоимости, простоты производства и стабильности наноматериала [13]. Наиболее изученными материалами являются Al₂O₃, SiO₂, CuO, ZnO и TiO₂, из которых Al₂O₃ широко используется в исследованиях [14, 15]. Наночастицы оксидов металлов обычно обладают повышенной устойчивостью к окислению по сравнению с металлическими аналогами, а их более низкая плотность предотвращает осаждение в основной жидкости. Показано, что введение наночастиц из оксидов металлов улучшает теплофизические свойства рабочих жидкостей [12, 16].

2) Металлические наночастицы ‒ это категория наножидкостей, которая включает материалы с наночастицами из таких металлов, как Cu, Al, Fe, Ni, Si, Ag. Данные наночастицы отличаются своими свойствами, такими как высокое отношение площади поверхности к объему, кристаллическая структура, сферическая и цилиндрическая форма частиц и реактивность на факторы окружающей среды. Основным преимуществом металлических наночастиц перед оксидными является более высокая теплопроводность [12]. Однако данные наножидкости менее изучены, потому что более доступные металлические наночастицы склонны к окислению, а наночастицы драгоценных металлов слишком дороги, хотя обладают большей химической стабильностью. Как и в случае с оксидами металлов, увеличение концентрации металлических наночастиц в основной жидкости ведет к соответствующему увеличению тепловых характеристик [12, 17–19]. При этом более высокая концентрация металлических наночастиц приводит к увеличению местного коэффициента трения из-за повышенной вязкости таких наножидкостей [12].

3) Углеродистые наночастицы полностью состоят из углерода. Их можно разделить на фуллерены, графен и углеродные нанотрубки (УНТ). Увеличение теплопроводности показывает широкий диапазон от относительно небольшого роста при использовании технического углерода до значительного при использовании УНТ и графенов [12]. Сообщается, что увеличение теплопроводности наножидкостей с применением углеродсодержащих материалов (например, сажи) невелико, в то время как относительно большое увеличение может быть достигнуто с использованием УНТ или графенов [12]. Углеродосодержащие наножидкости можно разделить на две группы:

1) углеродные нанотрубки ‒ это графеновая наножидкость с решетчатой структурой атомов углерода, свернутых в цилиндрические нанотрубки диаметром 0.7 нм для однослойных и 100 нм для многослойных УНТ и различной длины: от микрометров до миллиметров [19];

2) графен – аллотропная модификация углерода, которая представляет собой структуру с гексагональной решеткой, состоящую из атомов углерода на двумерной плоской поверхности. Обычно толщина листа графена составляет около 1 нм [19].

1.1. Влияние на теплопроводность

Теплопроводность ‒ важное свойство, улучшающее тепловые характеристики основной жидкости. Экспериментальные исследования показывают, что теплопроводность наножидкостей зависит от нескольких факторов, основными из которых являются концентрация наночастиц, материал и состав наночастиц, тип и состав основной жидкости, форма и размер наночастиц, температура. Результаты обзора литературы о влиянии размера частиц на теплопроводность наножидкостей оказались противоречивыми. Обычно для наножидкостей с оксидом алюминия в этиленгликоле и насосном масле, содержащих частицы оксида алюминия пяти различных размеров (∼12–302 нм) [20], сообщается, что с увеличением размера частиц наблюдается рост, за которым следует уменьшение теплопроводности. В большинстве исследований упоминается о монотонном увеличении теплопроводности с уменьшением размера частиц, связанном с броуновским движением [21–23] или уменьшением из-за межфазного термического сопротивления [24–27]. Однако в исследованиях [24‒27] можно наблюдать общую тенденцию, свидетельствующую о повышении теплопроводности с увеличением размера частиц.

На теплопроводность наножидкостей влияют три основных параметра: концентрация, размер и материал наночастиц. Концентрация наночастиц является важным фактором, изучаемым в большинстве эмпирических исследований, результаты которых часто качественно согласуются между собой во влиянии концентрации на теплопроводность. В большинстве исследований сообщается об относительно линейном увеличении теплопроводности по мере роста концентрации наночастиц. Обычно сообщается, что увеличение теплопроводности примерно на 10% может быть достигнуто за счет добавления около 1 об. % наночастиц [6, 24]. На рис. 3 показана зависимость коэффициента теплопроводности трех наножидкостей с частицами разного размера в зависимости от температуры, где коэффициент определяется как теплопроводность наножидкости k_nf, деленная на теплопроводность основной жидкости k_bf. По результатам экспериментов установлено, что влияние температуры на теплопроводность наножидкостей сильно зависит от размера наночастиц [28]. Наножидкости с частицами меньшего размера имеют больший коэффициент теплопроводности для того же материала частиц при той же температуре.

Рис. 3.

Относительная теплопроводность наножидкости с частицами Al₂O₃ при концентрации 0.51 об. % в зависимости от температуры при трех различных размерах наночастиц [28]: 1 – средний диаметр – 71.6 нм, 2 – 114.5, 3 – 136.8; 4 – границы [36], 5 – модель Максвелла [37].

Как показано на рис. 4, теплопроводность наножидкостей незначительно увеличивается при более высоких концентрациях наночастиц при использовании частиц из ZrO₂ с размерами 44 и 105 нм [29]. Подобное поведение теплопроводности наножидкости отмечено ранее в экспериментах [30, 31] и при молекулярно-динамическом моделировании [32, 33].

Рис. 4.

Относительная теплопроводность наножидкостей на основе воды с наночастицами ZrO₂ двух разных размеров в зависимости от концентрации частиц [16]: 1 – 44 нм, 2 – 105, 3 – уравнение Максвелла.

Классические теории теплопроводности обнаруживают для дисперсных жидкостей зависимость теплопроводности от материала частиц. Эта зависимость учитывается введением коэффициента теплопроводности материала частиц. На рис. 5 проиллюстрированы различия в относительной теплопроводности наножидкостей из разных материалов с наночастицами одного размера [29].

Рис. 5.

Относительная теплопроводность наножидкостей на основе воды с наночастицами из различных материалов в зависимости от температуры при объемной концентрации частиц 2% [29]: 1 – SiO₂, 2 – Al₂O₃, 3 – TiO₂, 4 – CuO, 5 – ZrO₂.

1.2. Влияние на вязкость

Как экспериментальные, так и численные исследования, проведенные на сегодняшний день, показывают, что вязкость наножидкости зависит от нескольких факторов. Основными факторами являются pH, концентрация и размер наночастиц. В то же время отсутствуют согласованные данные о том, как размер частиц влияет на вязкость наножидкости [34–37]. Вязкость – один из важнейших параметров, влияющих на тепловые характеристики наножидкостей. По мере уменьшения размера частиц общая площадь поверхности раздела твердое тело–жидкость и количество частиц при той же объемной концентрации увеличиваются. Следовательно, как первый, так и второй электровязкостные эффекты становятся более значимыми для частиц меньших размеров, вызывая более значительное увеличение вязкости [38]. В связи с этим авторы [37] исследовали влияние размера частиц на вязкость жидкости вода–Al₂O₃. Исследованы две наножидкости с одинаковой объемной концентрацией >4% с двумя размерами частиц 36 и 47 нм для оценки влияния частиц на вязкость. Обнаружено, что вязкость наножидкости с частицами размером 47 нм больше, чем с частицами размером 36 нм, т.е. вязкость повышается с увеличением размера частиц.

На рис. 6 демонстрируется влияние рН на вязкость и заряд на поверхности частиц карбида кремния в дистиллированной воде [39, 40], показывающее, что вязкость уменьшается с ростом рН суспензии. Существует корреляция с ζ-потенциалом с более низкой вязкостью при более высоких поверхностных зарядах, указывающая на то, что наблюдаемые явления, скорее всего, связаны с электростатической стабилизацией суспензий (второй электровязкостный эффект). Влияние pH на вязкость и заряд на поверхности частиц уже было известно, однако результаты данного экспериментального исследования очень важны для разработки наножидкостей, поскольку они показывают широкий диапазон изменения вязкости с использованием простой регулировки pH без какого-либо конкретного влияния на теплопроводность наножидкостей.

Рис. 6.

Влияние pH на вязкость наножидкости и заряд на поверхности частицы при размере наночастиц 29 нм и 25^oC [40].

На рис. 7 проиллюстрировано влияние температуры и размера частиц на наножидкости SiC–H₂O одних объемной концентрации и pH. Существует обратная пропорция между размером наночастиц и вязкостью, так что вязкость наножидкостей увеличивается с уменьшением размера частиц [41]. При контроле рН суспензии наблюдаемый эффект можно объяснить изменением площади поверхности раздела жидкость–твердое тело, а также уменьшением объема наночастиц (т.е. первым электровязкостным эффектом).

Рис. 7.

Температурные зависимости вязкости водных наножидкостей при концентрации наночастиц SiC 4.1 об. %, [pH] = 9.4 и различных размерах наночастиц [41]: 1 – чистая вода, 2 – 16 нм, 3 – 29, 4 – 66, 5 – 90.

Также обнаружено [42], что изменение вязкости невозможно предсказать с помощью обычных принципов, особенно для фракций с большим объемом частиц. По аналогии с механизмами, связанными с теплопроводностью, структура частиц и морфологические аспекты тоже могут влиять на эффективную вязкость, что приводит к экспоненциальному увеличению вязкости после определенной объемной концентрации частиц [43].

1.3. Влияние на теплоемкость

Удельная теплоемкость наножидкости зависит главным образом от удельной теплоемкости основной жидкости и наночастиц, объемной концентрации наночастиц и температуры жидкости. В литературе [6, 44–46] высказывается мнение, что эффективная удельная теплоемкость наножидкости уменьшается с увеличением объемной доли частиц и увеличивается с ростом температуры. Уменьшение эффективной удельной теплоемкости наножидкостей можно понять при добавлении твердых материалов (например, оксидов металлов и металлов) с более низкой удельной теплоемкостью по сравнению с теплоемкостью жидкостей-теплоносителей (например, воды).

На рис. 8 показано изменение удельной теплоемкости наножидкостей графен–вода, а также изменение отношения удельной теплоемкости тех же наножидкостей и основной жидкости в зависимости от температуры в диапазоне от 10°C до 90°C [45]. Удельная теплоемкость наножидкостей графен–вода имеет тенденцию к снижению при повышении температуры до 30°С, а затем, наоборот, растет с повышением температуры в диапазоне от 30 до 90°С (рис. 8а). Однако как удельная теплоемкость, так и отношение удельных теплоемкостей графен–вода уменьшаются с увеличением объемной доли наночастиц во всем исследованном интервале температур.

Рис. 8.

Температурные зависимости (а) теплоемкости наножидкости графен–вода и отношения теплоемкостей (б) при различных концентрациях наночастиц [45]: 1 – чистая вода, 2 – 0.05 об. % наночастиц, 3 – 0.1, 4 – 0.15.

1.4. Влияние на поверхностноe натяжениe

Еще одним важным свойством, которое необходимо учитывать при анализе производительности тепловой системы, является поверхностное натяжение. Оно определяется как сила, действующая на поверхность жидкости на единицу длины по нормали к силе. Поверхностное натяжение играет решающую роль в процессе кипения, так как от него зависят межфазное равновесие и выход пузырьков [47]. Показано, что поверхностное натяжение в наножидкостях, полученных без добавления поверхностно-активных веществ, претерпевает минимальные изменения, в то время как добавление поверхностно-активного вещества заметно влияет на поверхностное натяжение получаемой наножидкости [47–49]. Поверхностно-активные вещества действуют как межфазные оболочки между базовой жидкостью и наночастицами, изменяя поверхностное натяжение наножидкости [50].

Обзор литературы показывает, что температура, объемная концентрация и добавки поверхностно-активных веществ оказывают значительное влияние на поверхностное натяжение наножидкостей. Большинство проведенных исследований в основном сосредоточены на влиянии объемной доли на поверхностное натяжение, а в некоторых исследованиях изучалось влияние поверхностно-активных веществ. В литературе наблюдается согласие в том, что поверхностное натяжение наножидкостей уменьшается с повышением температуры и увеличением концентрации поверхностно-активного вещества. Однако сообщается о некоторых противоречивых результатах влияния объемной доли частиц на поверхностное натяжение наножидкостей. В некоторых исследованиях [51–53] сообщается, что поверхностное натяжение уменьшается с увеличением объемной концентрации, в то время как в других исследованиях [49, 54–56] авторы пришли к выводу, что поверхностное натяжение увеличивается с ростом объемной концентрации. Кроме того, существующие модели или корреляции не могут точно предсказать изменение поверхностного натяжения от концентрации наночастиц. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить влияние объемной концентрации частиц на поверхностное натяжение наножидкостей и прояснить некоторую неопределенность в отношении доступных экспериментальных результатов.

На рис. 9а показано изменение поверхностного натяжения наножидкости с графеном в зависимости от температуры для различных объемных долей частиц. Поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры и увеличением объемной доли. В [45] сообщается, что поверхностное натяжение сильнее зависит от доли наночастиц, чем от температуры. Тем не менее важно отметить, что основной тренд изменения поверхностного натяжения в зависимости от концентрации наночастиц для наножидкости графен–вода существенно отличается от такового для металлических наножидкостей со сферическими частицами или с УНТ. Поверхностное натяжение данных наножидкостей обычно растет с увеличением концентрации наночастиц (рис. 9б).

Рис. 9.

Зависимости поверхностного натяжения от температуры и объемного содержания наножидкости графен–вода [45] (а) и зависимости поверхностного натяжения наножидкостей со сферическими частицами и углеродными нанотрубками (б) при увеличени объемного содержания частиц [56]: (а) 1 – чистая вода, 2 – 0.05 об. % наночастиц, 3 – 0.1, 4 – 0.15; (б) 5 – Al₂O₃–этанол, 6 – многослойные нанотрубки–этанол, 7 – бор–этанол, 8 – Al–этанол.

В [56] показано влияние объемной доли поверхностно-активного вещества на поверхностное натяжение наножидкостей для смеси 0.1 мас. % Al + + сурфактант + н-декан (рис. 10) и сообщается о снижении поверхностного натяжения наножидкости при увеличении объемной концентрации поверхностно-активного вещества. Такое снижение объясняется в [56] наличием длинноцепочечных молекул поверхностно-активного вещества, прилипших к наночастицам. Между наночастицами и окружающими их молекулами жидкости образуется слой, который увеличивает потенциал между наночастицами, создавая усилие отталкивания и приводя к уменьшению поверхностного натяжения.

Рис. 10.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активного вещества [56] для наножидкости н-додекан + 0.1 об. % Al.

1.5. Влияние на смачиваемость

Присутствие наночастиц влияет на распределение и смачиваемость базовых жидкостей из-за дополнительных частиц, взаимодействия частиц с твердыми частицами и взаимодействий частиц с жидкостью [57]. Исследования влияния наночастиц на поверхностное натяжение базовой жидкости или более масштабно на смачиваемость все еще находятся в зачаточном состоянии. В целом предполагается, что наночастицы улучшают смачиваемость базовой жидкости и существенно повышают критический тепловой поток (КТП) [49, 58–61] (более подробно см. раздел 2.2). Послойное расположение наночастиц вызывает увеличение давления в пленке до избыточного, структурного расклинивающего давления, включающего осциллирующий профиль затухания по толщине пленки. Как следствие такой структурной силы, наножидкость может демонстрировать улучшенную способность к растеканию/смачиванию в ограниченном пространстве [62, 63]. В связи с этим в [44] установлено два важных явления, ответственных за усиление смачивающих свойств наножидкостей: 1) расположение как в твердом теле и скапливание наночастиц вблизи области трехфазного контакта, 2) осаждение частиц при кипячении. Однако, очевидно, необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять данные механизмы.

1.6. Эффективность наночастиц для целей охлаждения

Эффективность определенной наножидкости для охлаждения определяется относительным увеличением вязкости и теплопроводности. На рис. 11 показана граничная линия, отличающая эффективные наножидкости от неэффективных в пределах увеличения вязкости и теплопроводности для стандартного охлаждения радиатора. Как только свойства наножидкости оказываются выше граничной линии, наножидкость становится более эффективной, чем базовая жидкость. Изменения теплопроводности и вязкости наножидкостей CuO–вода и Al₂O₃–вода также изображены на рис. 11, поскольку соотношение размеров частиц p варьируется от 1 до 5.7 у этих двух наножидкостей. Отношение размеров агрегата частиц p определяется выражением p = R_a/a, где a – радиус первичных наночастиц, R_a – средний радиус вращения. С увеличением соотношения размеров и вязкость, и теплопроводность имеют тенденцию к увеличению. Учитывая, что увеличение вязкости преобладает, наножидкости с большим соотношением сторон не считаются эффективными заменителями базовой жидкости [64].

Рис. 11.

Изменения относительных вязкости и теплопроводности наножидкостей CuO‒вода (1) и Al₂O₃–вода (2) при изменении отношения размеров частиц; 3 – пограничная линия, обозначающая эффективность наножидкостей [64].

Рост теплопроводности способствует увеличению коэффициента конвективного теплообмена и последующему снижению температуры стенки относительно теплоносителя. В то же время увеличение вязкости вызывает уменьшение расхода хладагента и, следовательно, приводит к значительному повышению температуры хладагента. Чистое влияние этих изменений можно оценить только в отношении определенного приложения.

2.1. Влияние наножидкостей на коэффициент теплообмена при кипении

Установлено, что большинство результатов экспериментов, в которых изучалось влияние оксидов металлов или металлических наночастиц на КТК [67, 68, 71, 76, 78, 81], свидетельствуют об увеличении КТК с добавлением наночастиц (табл. 3). Следует обратить внимание, что данные экспериментальные исследования проведены в диапазоне более низких объемных концентраций наночастиц (например, ≤0.05 об. %), когда отношение размера наночастиц к гидравлическому диаметру канала в основном меньше 0.5 × 10^–4. Кроме того, во всех этих исследованиях, сообщающих об улучшении теплообмена при кипении потока, использовались оксиды металлов или металлические наночастицы. Тем не менее недавно были проведены два эмпирических исследования, в которых сообщалось о снижении КТК наножидкостей по сравнению с деионизированной водой [79, 80].

Результаты [67, 76] показывают, что увеличение КТК интенсифицируется с увеличением концентрации наночастиц, в то время как в [78] сообщается, что рост КТК замедляется при более высоких объемных концентрациях (0.1%) по сравнению со значениями при 0.01% и 0.05%. Заявлено, что добавление наночастиц в базовую жидкость при высоком содержании паров не оказало положительного влияния на увеличение локальных КТК, но вызвало резкое снижение КТК. Поэтому максимальные КТК могут быть получены на входе в миниканалы, где паросодержание низкое [76].

На рис. 12 сравниваются средние значения КТК чистой воды и воды с концентрациями наночастиц серебра 25 мг/л (эквивалентно объемной концентрации 0.000237%) и 50 мг/л (0.000475%) при мощности нагрева 200 Вт. При одном и том же массовом расходе значения КТК в присутствии наночастиц больше, чем без них, и КТК увеличивается с ростом объемной концентрации частиц. Полученные самые высокие значения КТК на 162% при 0.000475% наночастиц и на 132% при 0.000237% выше, чем у чистой воды.

Рис. 12.

КТК как функция потока массы при входной мощности 200 Вт [76]: 1 – 50 мг/л серебрa–вода, 2 – 25, 3 – чистая вода.

На рис. 13 показано изменение локальных КТК в зависимости от локального паросодержания вдоль канала. Там же представлено влияние концентрации наночастиц Cu на локальные КТК. Локальные КТК уменьшаются по мере увеличения паросодержания, но увеличиваются с ростом концентрации наночастиц Cu.

Рис. 13.

Влияние концентрации медных наночастиц на локальный КТК [67]: 1 – 50 мг/л меди–вода, 2 – 10, 3 – 5, 4 – чистая вода.

На рис. 14 показана локальная температура поверхности вдоль миниканала при трех различных концентрациях частиц в наножидкости Cu–вода. Температура поверхности падает с увеличением концентрации наночастиц и становится ниже, чем при использовании чистой воды, что можно рассматривать как желательный показатель улучшения характеристик охлаждения.

Рис. 14.

Влияние концентрации наночастиц меди на распределение локальной температуры поверхности канала [67]: 1 – 50 мг/л меди–вода, 2 – 10, 3 – 5, 4 – чистая вода.

В отличие от результатов, опубликованных в [67, 68, 71, 76, 78, 81], в работах [79, 80] получено падение КТК при использовании наножидкостей в микроканалах. Как показано на рис. 15, авторы [79] сообщили о снижении КТК для наножидкости оксид графена–вода по сравнению с чистой водой. Эксперименты [79] проводились в параллельных микроканалах при двух массовых расходах 40 и 60 мл/мин, для двух массовых концентраций 0.005% и 0.05%. С постепенным повышением паросодержания КТК наножидкости росли медленнее по сравнению с чистой водой. С увеличением скорости потока (рис. 15а, 15б) как базовая жидкость, так и наножидкость демонстрируют небольшое увеличение КТК. Аналогичная тенденция к ухудшению характеристик теплообмена при кипении с использованием наножидкостей в микроканалах отмечена в [80].

Рис. 15.

Снижение локального КТК с увеличением паросодержания при использовании наножидкости графен–вода с концентрацией частиц 0.05 об. % (1) в микроканале при расходе жидкости 40 (а) и 60 мл/мин (б) [79] в сравнении с результатами для чистой воды (2).

2.1.1. Возможные механизмы улучшения/ухудшения теплообмена при кипении с использованием наножидкостей. На рис. 16а, 16б представлены области теплообмена и линии трехфазного контакта для сравнения роста пузырьков на нагретых поверхностях в чистой воде и в воде с наночастицами соответственно. Как правило, механизмы теплообмена при двухфазном проточном кипении чистой жидкости состоят из (а) тонкопленочного испарения, (б) теплообмена между холодной и горячей жидкостями в процессе отрыва пузырьков, (в) микроконвективного теплообмена за счет возмущения пограничного слоя в процессе отрыва пузырьков [82].

Рис. 16.

Линии контакта трех фаз (твердое тело–жидкость–пар) во время роста пузырьков на нагретой поверхности: (a) ‒ в чистой воде, (б) ‒ наножидкостях [68].

Для чистой воды можно выделить три области теплообмена (рис. 16а), основанные на механизмах теплообмена при двухфазном проточном кипении: область I – площадь между сухим паром и поверхностью нагревателя; область II – тонкая пленка; область III – объем жидкости. Сообщается, что при испарении и кипении под паровой фазой должна быть тонкая пленка [62, 83, 84]. На рис. 16б представлены линии контакта трех фаз (твердое тело–жидкость–пар) при росте пузырьков в воде с наночастицами и четыре области теплообмена для двухфазного течения воды с наночастицами: область I – область между сухим паром и поверхностью нагревателя; область II – тонкая пленка без наночастиц; область III – объем наножидкости; область IV – тонкая пленка с наночастицами. Линия контакта трех фаз и силы, приложенные к поверхности раздела, смещаются ближе к началу координат, а область I (между сухим паром и поверхностью нагревателя) и область II (тонкая пленка) уменьшаются за счет использования наночастиц по сравнению с чистой водой, при этом добавляется новая область (область IV) – тонкая пленка, содержащая наночастицы, и область объемной жидкости (область III) изменяется на область объемной наножидкости. Наличие наночастиц в воде приводит к увеличению общей площади пузырьков и превышению площади поверхности нагревателя [85, 86]. Рассматривая механизмы теплообмена при кипении в двухфазном потоке чистой жидкости, а также сравнивая рис. 16а и 16б, интенсификацию теплообмена с помощью наночастиц можно объяснить следующим образом [68, 80].

1) Размеры пузырьков перед отрывом в наножидкостях меньше, чем в чистой воде (базовой жидкости), что позволяет получить частые отрывы миниатюрных пузырьков и приводит к интенсификации теплообмена за счет обмена холодной и горячей жидкостей при микроконвекции с возмущением пограничного слоя наножидкости при отрыве пузырька.

2) Сухая область пара (область I), где существует большое сопротивление теплообмену из-за относительно низкой теплопроводности пара, становится меньше при использовании наножидкостей, что приводит к улучшению теплообмена.

3) Доля площади тонкой пленки, содержащей наночастицы (область IV), относительно всей площади пузырьков увеличивается, что способствует интенсификации теплообмена.

4) Модификации текстуры поверхности вызваны осаждением наночастиц.

5) Наблюдается улучшение свойств рабочей жидкости, особенно поверхностного натяжения и теплопроводности.

6) Уменьшается нестабильность кипения потока (как утверждается в нескольких работах [68, 69, 71]).

Напротив, уменьшение коэффициента теплообмена при кипении в наножидкостях обосновывается следующими причинами [79, 80, 87, 88]:

1) повышенное сопротивление теплопроводности в результате осаждения наночастиц на стенки канала;

2) снижение частоты отрыва пузырьков, вызванное улучшением смачиваемости поверхности;

3) уменьшение плотности активных центров зародышеобразования, вызванное осаждением наночастиц и последующими изменениями текстуры поверхности (рис. 17).

Рис. 17.

Картины осаждений наночастиц различных размеров при кипении в двухфазном потоке наножидкостей в миниканале диаметром 1.1 мм (по данным [80]): (а) ‒ канал без осаждений; (б) ‒ наночастицы Cu диаметром 25 нм; (в) ‒ SiO₂, 15; (г) ‒ Al₂O₃, 20–30; (д) ‒ Al₂O₃, 40–80; (е) ‒ SiO₂, 80.

На рис. 17 представлены изображения внутренней поверхности пробирок малого диаметра после кипения двухфазного потока наножидкости, полученные с помощью оптического профилографа с 10-кратным увеличением. В зависимости от размера наночастиц имеют место различные модели осаждения. В то время как наночастицы большего размера (40–80 нм) образуют относительно однородное осаждение с текстурой поверхности, похожей на текстуру поверхности коммерческих трубок, наночастицы меньшего размера демонстрируют явно неоднородное осаждение, характеризующееся впадинами и пиками. При оценке параметров шероховатости по изображениям установлено, что размер наночастиц влияет на распределение радиусов полостей и, следовательно, на характеристики поверхности, связанные с пузырьковым кипением [80]. В исследовании [80] наблюдалось, что более крупные наночастицы (более 40 нм) демонстрируют лучшие коэффициенты теплообмена при кипении в миниканалах, чем наночастицы меньшего размера (менее 30 нм).

Анализ характеристик, представленных на рис. 17, дает один из основных ключей к выяснению противоречий, сообщаемых в экспериментальной литературе о результатах коэффициентов теплопередачи при кипении. Из-за различных моделей осаждения наночастиц на внутренней поверхности мини- и микроканалов, связанных с различными размерами наночастиц и различным соотношением размеров наночастиц к гидравлическому диаметру микроканала, морфология поверхности и, следовательно, поведение потока при кипении (в частности, плотность активных центров нуклеации, поверхностное натяжение и смачиваемость) могут изменяться как в положительную, так и в отрицательную сторону.

2.2. Влияние наножидкостей на критический тепловой поток при двухфазном течении в мини- и микроканалах

На рис. 18 представлены режимы кипения в объеме и тепловые потоки с КТП при возрастающих перегревах поверхности. Поверхностный перегрев – это разница между температурой поверхности и температурой насыщения жидкости. Также показаны высокоскоростные и инфракрасные изображения зародышей и пленочного кипения наножидкости графен–вода. По мере увеличения перегрева происходит эволюция процесса кипения, начиная с естественной конвекции, через пузырьковое кипение, переходный режим и затем после достижения минимального теплового потока до пленочного кипения. КТП – это максимальный тепловой поток, получаемый в конце режима пузырькового кипения, и обычно после прохождения КТП тепловой поток резко снижается, если он не регулируется. Пузырьковое кипение известно как наиболее желательный и эффективный механизм теплообмена при кипении, поскольку максимальный тепловой поток может быть получен при относительно низком перегреве по сравнению с другими режимами. Таким образом, увеличение КТП при теплообмене при кипении для тепловых систем может способствовать созданию более эффективных и компактных конструкций систем охлаждения в установках кондиционирования воздуха, ядерных реакторах и т.д. Для использования пузырькового кипения в практических приложениях необходимо, чтобы подводимый поток тепла был меньше критического, поскольку коэффициент теплообмена при кипении резко значительно снижается после точки КТП из-за потери контакта между жидкостью и твердой поверхностью, вызванной локальным прогоранием или пересыханием поверхности нагрева [82]. Предел КТП зависит от теплофизических свойств рабочего тела, величины теплового потока, условий эксплуатации и поверхностей теплообмена, поэтому важно понимать предел КТП, чтобы избежать перегрева, прогорания или других форм катастрофического нарушения работы при кипении.

Рис. 18.

Схема режимов кипения и КТП (а) и фотографии высокоскоростной съемки (б)–(г) режимов кипения наножидкости графен–вода (по данным [89]): (б) ‒ пленочное кипение; (в) ‒ пузырьковое кипение; (г) ‒ инфракрасная съемка пузырькового кипения.

В течение многих лет исследователи стремились увеличить предел КТП при кипении, чтобы повысить характеристики теплообмена и снизить эксплуатационные расходы с использованием более эффективных рабочих жидкостей. Именно здесь наножидкости могут сыграть решающую революционную роль в теплообмене за счет повышения предела КТП при кипении.

На сегодняшний день проведено множество исследований влияния наножидкостей на КТП при кипении в объеме или при кипении в конвективном потоке в стандартных каналах. Другие исследователи экспериментально изучали локальный тепловой поток с использованием наножидкостей для кипения потока в мини- и микроканалах, однако они не исследовали влияние наножидкостей на КТП. Лишь несколько работ [74, 75, 77] посвящены влиянию наножидкостей на КТП при двухфазном кипении потока в мини- и микроканалах, и в них сообщается о значительном повышении КТП при использовании наножидкостей по сравнению с базовой жидкостью. В [74] говорится о максимальном увеличении КТП (на 51%) при кипении в переохлажденном потоке при объемной концентрации наночастиц 0.1%. Как показано на рис. 19, КТП растет по мере увеличения концентрации частиц в наножидкости при том же массовом потоке и низких объемных концентрациях. Также видно, что КТП увеличивается с ростом потока массы и начального недогрева внутри микроканала [77] за счет введения наночастиц, что существенно изменяет динамику пузырьков. При кипении наножидкостей в микроканалах в потоке наблюдалось большее количество пузырьков и меньшее время их жизни [74]. Сообщается, что увеличение КТП при использовании наножидкостей связано с более низкой вероятностью локального высыхания под замкнутым пузырем из-за меньшего времени роста пузырей. Кроме того, установлено, что краевой угол меньше у тех пузырьков, которые образуются в наножидкостях при данном объеме пузырьков [75]. Как только некоторые наночастицы осаждаются на поверхность, формируется слой пористых структур, который становится более толстым и уплотненным. В результате смачиваемость, однородность и шероховатость поверхности при кипении наножидкостей изменяются. Таким образом, из литературы [60, 75, 90] можно сделать вывод, что осаждение наночастиц и модифицированная морфология поверхности из-за наножидкостей являются основными причинами различного поведения при кипении наножидкостей, а основная причина повышения КТП при использовании наножидкостей ‒ улучшение смачиваемости поверхности с помощью наножидкостей при кипении потока.

Рис. 19.

КТП при изменении потока массы в микроканале (входной недогрев – 45°C) для деионизованной воды (1) и наножидкостей с различными концентрациями частиц алюминия [77]: 2 – 0.001 об. %, 3 – 0.01, 4 – 0.1.

К сожалению, в литературе не приводятся кривые кипения базовой жидкости и наножидкости и не сравниваются для двухфазного течения наножидкостей в мини- и микроканалах. Чтобы лучше оценить влияние наножидкостей на характеристики кипения и КТП, важно выяснить, в каком направлении (вправо или влево) смещается кривая кипения. Чтобы учесть значение направления сдвига кривой кипения, увеличение КТП во время кипения в объеме наножидкостей приведено на рис. 20 в виде кривых кипения в объеме. Следует отметить, что увеличение КТП во время кипения в потоке наножидкости во многом связано со смачиваемостью поверхности, что аналогично росту КТП при кипении в объеме наножидкости [90‒92]. В отличие от КТП при кипении в потоке наножидкости, для исследования увеличения КТП при кипении наножидкости в объеме проведено множество экспериментов. Следовательно, требуются дальнейшие экспериментальные исследования по увеличению КТП при кипении потока наножидкости, чтобы лучше понять механизмы кипения потока наножидкости.

Рис. 20.

Кривые кипения в объеме [91]: 1 – деионизованная вода, эксперимент № 1; 2 – № 2; 3 – № 3; 4 – наножидкость 0.1 об. % кремния–вода, экспери-мент № 1; 5 – № 2; 6 – 0.01 об. % алмазa–вода, № 1; 7 – № 2.

На рис. 20 показаны кривые кипения в объеме для семи экспериментов, включая три эксперимента с деионизированной водой, два с наножидкостями с 0.01 и 0.1 об. % алмаза в воде и два с 0.01 и 0.1 об. % кремнезема в воде. В [91] исследовано пузырьковое кипение и характеристики КТП для чистой воды и наножидкостей с низкой концентрацией частиц с помощью инфракрасной термометрии. Направления смещения кривых кипения наножидкостей в объеме относительно кривых для чистой воды позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, значения КТП заметно выше, чем у чистой воды. Во-вторых, режим естественной конвекции для наножидкостей оказывается несколько более длительным, а начало пузырькового кипения (НПК) задерживается или требует более высоких температур поверхности кипения. В-третьих, поскольку кривые кипения наножидкостей существенно сдвинуты вправо по сравнению с кривыми для воды, ожидается, что эффективные КТО пузырькового кипения для всех наножидкостей будут ниже в соответствии с h = q''/(T_w – T_sat). Аналогичные экспериментальные результаты по направлению смещения кривой кипения наножидкостей можно найти и в других работах [92‒94].

Из приведенного выше обсуждения можно сделать вывод, что желательное направление сдвига кривой кипения для достижения лучших характеристик кипения – влево, которое при этом сопровождается верхним пиком критического теплового потока.

2.3. Влияние наножидкостей на паросодержание

Показано, что локальное паросодержание увеличивается вдоль канала с ростом концентрации наночастиц и уменьшением массового потока. В [67, 76] исследовалось влияние наночастиц на локальное паросодержание в мини- и микроканалах (табл. 3). На рис. 21 показаны вариации локального паросодержания вдоль миниканала для наножидкостей медь–вода и серебро–вода при различных концентрациях в сравнении с базовым флюидом (чистая вода).

Рис. 21.

Локальные паросодержания вдоль миниканала для воды (1) и наножидкостей: (а) ‒ с наночастицами меди [67] при различных концентрациях: 2 – 5 мг/л, 3 – 10, 4 – 50; (б) ‒ серебра [76]: 5 – 25 мг/л, 6 – 50.

2.4. Влияние наножидкостей на падение давления

Существуют противоречивые тенденции среди немногих исследований, перечисленных в табл. 3, в которых изучалось падение давления при двухфазном кипении потока наножидкости в мини- и микроканалах.

В работе [67] измерено падение давления на входе и выходе из параллельных каналов при кипении в вынужденном течении наножидкости Cu–вода при очень малых объемных концентрациях частиц. Локальный перепад давления получен из экспериментальных результатов для локальных температур поверхности и локального паросодержания. Сообщалось, что падение давления значительно увеличивалось с ростом концентрации наночастиц из-за высокой вязкости наножидкости по сравнению с водой. На рис. 22 показано изменение перепадов давления в наножидкости Cu–вода при трех различных концентрациях частиц (5, 10 и 50 мг/л) в зависимости от паросодержания. При одинаковом паросодержании локальные перепады давления больше при высоких концентрациях наночастиц, чем при более низких концентрациях и в воде без наночастиц. Однако в [68, 69] сообщается, что перепады давления при использовании наножидкостей Al₂O₃–вода обычно ниже, чем у воды, как показано на рис. 23, и уменьшаются с увеличением объемной концентрации частиц.

Рис. 22.

Влияние концентрации наночастиц в наножидкости медь–вода на падение давления [67]: 1 – чистая вода, 2 – 5 мг/л, 3 – 10, 4 – 50.

Рис. 23.

Влияние концентрации наночастиц в наножидкости Al₂O₃–вода на падение давления при тепловом потоке q = 26.23 Вт/см² [69]: 1 – чистая вода, 2 – 0.01 об. %, 3 – 0.1.

2.5. Влияние наножидкостей на устойчивость кипения в потоке

Подобно тенденциям, сообщаемым о влиянии наножидкостей на коэффициент теплообмена при кипении, мнения о влиянии наночастиц на устойчивость течения при кипении оказываются в литературе противоречивыми, и поэтому нужны дальнейшие исследования, сопровождаемые более надежными, длительными экспериментами с хорошей повторяемостью, чтобы была установлена окончательная тенденция.

Среди немногих исследований по этому вопросу, которые можно найти в литературе, в [68, 69, 71] сообщается, что присутствие наночастиц вызывало меньшие колебания температуры и давления, а также задерживало начало неустойчивости потока (ННП), стабилизируя течение кипения в большей степени по сравнению с кипением чистой воды, или сообщалось об отсутствии серьезных проблем, связанных с суспензиями с наночастицами и кипением в потоке в мини- и микроканалах. Напротив, в [73‒75, 77, 78] показано, что частота и амплитуда флуктуаций, особенно давления и перепада давления, больше для кипения в потоке наножидкостей по сравнению с таковыми для базовой жидкости. Вместе с тем авторы [72] рекомендовали не использовать наночастицы для двухфазного охлаждения микроканальных радиаторов. Сообщается, что, как только происходит кипение, наночастицы начинают осаждаться в довольно большие кластеры вблизи выхода из микроканала из-за локализованного испарения. Быстрое распространение такого явления кластеризации вверх по потоку предотвращает попадание теплоносителя в радиатор и впоследствии приводит к катастрофическому отказу системы [72].

Неустойчивость двухфазного потока при кипении обычно возникает из-за взаимодействия между внешними и внутренними характеристиками потока и может быть разделена на статическую и динамическую неустойчивости [95, 96]. Статические неустойчивости возникают, когда новые рабочие характеристики возмущенного двухфазного кипящего потока асимптотически стремятся к условиям, отличным от исходных. Например, неустойчивость Лединегга является одной из наиболее распространенных статических неустойчивостей. Второй вид неустойчивости двухфазного потока ‒ динамическая нестабильность ‒ возникает, когда взаимодействие и запаздывающая обратная связь между инерцией и сжимаемостью потока играют решающую роль в стимулировании неустойчивости потока. Динамические неустойчивости в свою очередь можно разделить на три категории: колебания перепада давления, колебания волны плотности и тепловые колебания [95‒97]. В настоящем обзоре больше внимания уделено динамическим неустойчивостям, состоящим в основном из двух типов (перепадов давления и тепловых (температурных) колебаний), поскольку акустические колебания оказывают незначительное влияние на двухфазное течение [68, 98].

Как сообщается в [74, 75, 77], амплитуда и частота колебаний давления на входе для наножидкости с оксидом алюминия больше, чем у базовой жидкости (воды). Рис. 24, адаптированный из [75], иллюстрирует два типа динамической нестабильности в микроканале, связанные с изменениями давления на входе и выходе, а также изменениями температуры самой горячей поверхности и температуры на входе при 0.01 об. % оксида алюминия. Эксперимент [75] проведен для диапазона низких массовых расходов от 600 до 1950 кг/(м² с) с низким выходным паросодержанием (до 18%). Максимальная температура поверхности микроканала в экспериментах составляла 150°С. Согласно рис. 24а, присутствие наночастиц вызывает более сильные колебания давления с более высокими значениями и частотами, а это означает, что введение наночастиц может существенно повлиять на динамику пузырьков. Прямые визуальные наблюдения на выходе из канала в [52] выявили большее количество пузырьков с более коротким временем жизни при кипении потока наножидкостей. Однако количественный анализ режима течения на выходе из канала в экспериментах [52] не проводился. Авторы [74, 75, 77] также наблюдали, что значения изменения давления для наножидкости с оксидом алюминия даже больше, чем перепад давления вдоль канала. Считается, что флуктуации давления возникают из-за быстрого роста пузырьков внутри ограниченного микроканала. Такие большие колебания давления могут вызывать большие колебания температуры насыщения, что взаимосвязано с изменениями режима течения и впоследствии влияет на механизм кипения. Наличие длинных пузырей с высокой частотой колебаний также отражается в колебаниях температуры на входе, как показано на рис. 24б. Считается, что циклические изменения входного давления и температуры связаны с обратным течением жидкости. Тем не менее такое поведение характерно для двухфазных течений в микроканалах, что приводит к образованию замкнутых пузырьков [75]. В исследованиях [74, 75] наблюдалась общая тенденция к ослаблению колебаний температуры на входе в микроканал при увеличении массового расхода. Кроме того, имел место большой разброс входной мощности, что, как предполагается, является следствием изменений сопротивления, вызванных температурным эффектом.

Рис. 24.

Изменения входного (1, 2) и выходного (3, 4) давления воды (1, 3) и наножидкости (2, 4) с 0.01 об. % алюминия в микроканале при q = 175 кВт/м² и потоке массы 1630 кг/(м² с) (а); (б) ‒ изменения входной температуры (1, 2) и температуры поверхности в самой горячей точке (3, 4) для воды (1, 3) и наножидкости (2, 4) при тех же условиях [75].

В этом контексте авторы [68, 69] сообщили о некоторых противоречивых результатах, указывающих на то, что наножидкости с низкой концентрацией частиц значительно уменьшают амплитуду колебаний двухфазного потока и подавляют ННП без вредных эффектов осаждения наночастиц.

Авторы [69] провели эксперименты с водными наножидкостями с 0.01 и 0.1 об. % оксида алюминия при следующих рабочих условиях: диапазон температур на входе – 80.4–90.6°C, диапазон массовых потоков – 680–3100 кг/(м² с), максимальный тепловой поток – 40.6 Вт/см², максимальное термодинамическое качество на выходе – 0.05 (5%). На рис. 25 представлены измерения [69] динамической нестабильности, включая зависящие от времени изменения давления на входе и выходе, мощность насоса, температуры на входе и выходе, для чистой воды и наножидкости с содержанием оксида алюминия 0.1 об. %. Амплитуды колебаний для чистой воды (рис. 25а) оказались больше, чем для наножидкости (рис. 25б), что предполагает возможное подавление и смягчение колебаний двухфазного потока при использовании наножидкости. Авторы [69] пришли к выводу, что присутствие наночастиц задерживает НПК, а затем подавляет ННП. Кроме того, они считают, что степень этой задержки и подавления соизмерима с концентрацией наночастиц [69]. Предполагалось, что эти данные связаны с изменениями смачиваемости поверхности и доступными центрами зародышеобразования вследствие осаждения частиц на поверхность микроканалов, а также меньшей толщины теплового пограничного слоя, возникающего в результате сдвигового перераспределения наночастиц. Авторы [69] также пришли к выводу, что для наножидкостей преобладает нестабильность перепада давления, сопровождающаяся меньшими колебаниями температуры, давления и массового потока.

Рис. 25.

Изменения входного и выходного давления, мощности и входной и выходной температуры: (а) ‒ чистой воды при массовом потоке 1054.4 кг/(м² с), тепловом потоке 29.9 Вт/см², температуре насыщения 91.9°C; (б) ‒ наножидкости с содержанием 0.1 об. % частиц алюминия при потоке массы 1065.9 кг/(м² с), потоке тепла 29.9 Вт/см², температуре насыщения 92.5°C [69].

В [68] также сообщается об аналогичной тенденции, наблюдаемой в [69]. Эксперименты [68] проведены с водной наножидкостью с 0.052 об. % оксида алюминия при следующих рабочих условиях: массовые потоки – 171, 285 и 401 кг/(м² с), диапазон тепловых потоков – 0–1000 Вт/см², температура насыщения – около 100°С. Отмечено, что в базовой жидкости (чистой воде) размер пузырьков больше, когда начинается кипение, что вызывает большее возмущение потока и большие амплитуды колебаний. Соответственно, ННП наступает раньше, чем у наножидкостей (рис. 26). Напротив, для наножидкостей кипение потока было постоянно стабильным или квазистабильным. В [68] замечено, что при использовании наножидкостей миниатюрные пузырьки были основной структурой потока в микроканалах, но эти пузырьки никогда не сливались друг с другом.

Рис. 26.

Падение давления (а) и разница температур поверхности и насыщения жидкости (б) в зависимости от теплового потока при T_вх = 27°C [68]: 1 – чистая вода, поток массы – 285.4 кг/(м² с); 2 – наножидкость, 286.4.