В танце капель. как рождаются новые научные подходы

      Комментарии к записи В танце капель. как рождаются новые научные подходы отключены

В танце капель. как рождаются новые научные подходы

N 38(2016)
Колесова Ольга
16.09
Во второй половине 80-х годов директор Университета теплофизики СО РАН академик Владимир Накоряков организовал три молодежные лаборатории, завлабами в которых стали свежеиспеченные кандидаты наук в возрасте до 32 лет. В этом году одному из них — врачу физико-математических наук, доктору наук Олегу Кабову — исполнилось шестьдесят, но возглавляемая им лаборатория интенсификации процессов теплообмена постоянно есть молодежной, если не по букве, то по духу.
— Мы наблюдаем в будущее, ставим новые задачи, беремся за нерешенные неприятности, и, нужно сообщить, тематика изучений нам в этом содействует, — говорит Олег Александрович. — В последние два десятка лет баланс изучения теплообменных совокупностей изменяется в пользу высоконапряженных (компактная совокупность нагревается посильнее) энергетических совокупностей нового поколения с микроканалами и наноструктурированными поверхностями. Идет глобальная миниатюризация, и такие устройства оказываются востребованными целым рядом разных индустрий — энергетической, ракетно-космической, авиационной, транспортной, медицинской, химико-технологической, информационной.
К 2030 году ожидается подключение к Интернету более чем 200 миллиардов мини- совокупностей — от компьютеров, сотовых телефонов до устройств диагностики. Непременно, Российская Федерация не сможет сделать технологический прорыв, не изучая микросистемы и- энергетические мини. Недаром отечественная лаборатория трудится по четырем критическим разработкам РФ.

Энергетические совокупности нового поколения весьма занимательны для изучения. Раньше мы имели дело по большей части с макросистемами — от самолётов и автомобилей до океанских лайнеров. микросистемы и- Сегодняшние мини являются в каком-то смысле более интеллектуальными — компактные совокупности отличаются энергоемкостью, миниатюризация требует разработки новых новых и применения технологий моделей.

Иначе, микросистемы и- энергетические мини экономичны, в них возможно удачно использовать нано- и микрообъекты — исследователи контактируют с миром, что начинается от нанометра и заканчивается несколькими миллиметрами, другими словами линейные масштабы изменяются на 6 порядков.
Необходимо подчеркнуть, что лаборатория Кабова была подготовленной к переходу на новый уровень неприятностей. Основатель Университета теплофизики академик Самсон Кутателадзе, в лаборатории которого и трудился Олег Кабов, придавал значение изучению высоконапряженных совокупностей с конденсацией и кипением. Уже в молодежной лаборатории были достигнуты не имеющие аналогов в мире результаты по охлаждению микроэлектронного оборудования.
— В области двухфазных совокупностей с высоким тепловыделением мы предложили новый метод охлаждения микроэлектронного оборудования: обучились создавать тонкие пленки жидкости в микроканалах и двигать их с большими скоростями, применяя потоки инертного газа, — поясняет заведующий лабораторией. — На данный момент посредством таких совокупностей мы можем отводить 1 кВт от 1 см2. Это рекордный показатель, он на порядок выше, чем в рутинных теплообменных аппаратах.

Способ был предложен в первый раз в мире, оценен и принят мировым сообществом. Отмечу, что проблемой отвода очень высоких тепловых потоков в мини-совокупностях с маленьким перепадом температур без шуток занимаются ученые всего нескольких государств — России, США, Японии.

Кстати, собственными изучениями мы дополнили хорошую гидродинамику: ранее считалось, что использованный нами расслоенный режим течения (узкий слой жидкости движется по одной стороне канала, газ — по второй) неосуществим в каналах с размером менее 1,5 миллиметра. Но, как выяснилось, никто не изучил плоские каналы, и, в случае если сделать структурированный вход газа и жидкости в плоский микроканал, течение окажется устойчивым — на данный момент мы такое течение приобретаем кроме того для каналов высотой 50-100 микрон.
Из 15 экспериментальных стендов лаборатории, созданных самими сотрудниками, на четырех проводятся изучения в мини- и микроканалах. На помощь приходит сотрудничество с сотрудниками из вторых университетов: так, вместе с Владимиром Анискиным из Университета теоретической и прикладной механики СО РАН была создана неповторимая микротермопара (прибор для правильного измерения температур в жидких и газообразных средах). Параллельно ученые создают новые методики измерения.
Второе направление изучений лаборатории — конденсация пара в энергетических совокупностях (в совокупностях охлаждения используется связанная с этим разработка). Цикл изучений по конденсации пара в мини-каналах завершился созданием неповторимого конденсатора-сепаратора, что будет использован на Интернациональной космической станции в особом опыте CIMEX.
— Разработка для того чтобы аппарата — предмет отечественного тесного сотрудничества с Центром микрогравитации Свободного университета Брюсселя, — поясняет Олег Александрович. — В 2000 году, в то время, когда стало известно, что силами европейских исследователей проблему разработки аналогичного устройства скоро решить запрещено, нас пригласил директор этого центра доктор наук Жан-Клод Легро.
Отечественный конденсатор-сепаратор был протестирован в параболическом полете, в условиях, максимально приближенных к космическим. В сотрудничестве с Космическим агентством ЕС, Русским космическим и космическими агентством других государств мы проводим изучения по тепло- и массообмену, изучая процессы, происходящие в пленках, каплях и ручейковых течениях в условиях микрогравитации, максимально приближенных к космическим.

В Бордо проводятся параболические полеты на намерено переоборудованном самолете А-300. Самолет разгоняется и совершает параболический маневр горку. На самом верху параболы на 22 секунды возможно смоделировать космические условия микрогравитации.

К примеру, мы выполнили пара параболических полетов, исследуя действие ускорения свободного падения на каплю жидкости, и совершили изучения на центрифуге — в следствии ускорение свободного падения удалось поменять в 6000 (!) раз.
Сейчас по этому направлению мы участвуем в подготовке 10 опытов, каковые будут проходить в условиях микрогравитации: семь опытов на МКС в сотрудничестве с Космическим агентством ЕС, один опыт — в сотрудничестве с Японским космическим агентством, один — на протяжении полета российского спутника Фотон и один — на исследовательской ракете Космического агентства ЕС.
Совместная работа сделала нужным проведение с 2006 года интернациональной конференции Двухфазные совокупности для космического и наземного применения. Университет теплофизики стал ее соорганизатором. В 2017 году конференция пройдет в Российской Федерации.

Помимо этого, сотрудники лаборатории вошли в редколлегию интернационального издания Microgravity science and technology, а три года назад меня пригласили стать главным редактором нового интернационального издания Interfacial Phenomena and Heat Transfer. В 2016-м стартовала одноименная ежегодная интернациональная конференция в Новосибирске.
Еще одно направление, в котором достигнуты большие фундаментальные результаты, — теплообмен и гидродинамика в стекающих пленках. Практически в первые годы работы лаборатории новосибирские ученые нашли новое явление в физике жидкостей.

Так, в случае если пленка жидкости нагревается от локального источника тепла, что расположен поперек пленки, то при больших тепловых потоках термокапиллярные силы начинают противодействовать гравитационным, что приводит к существенной деформации пленки и ведет к формированию валика жидкости. В определенный момент валик теряет устойчивость, и на строго однообразном расстоянии начинают стекать струи жидкости, а между струями остаётся узкая пленка. Так, в следствии совместных действий термокапиллярных гравитации и сил образуется самоорганизованное течение.
Это явление заинтересовало русских и зарубежных ученых. В первой половине 90-х годов двадцатого века его изучение было положено в базу Института гидродинамики Института и совместного проекта теплофизики СО РАН. Руководил проектом член- обозреватель РАН Владислав Пухначев из Университета гидродинамики, а финансирование, достаточное для работы нескольких научных групп, выделило НАСА.
— Нужно заявить, что отечественные первые публикации по этому направлению имели более 100 ссылок любая, — не скрывает гордости доктор наук Кабов. — Изучаем мы и проблему разрыва пленок жидкости — до сих пор не существует математических моделей, каковые имели возможность бы совершенно верно угадать, в каких условиях и в каком месте будут разрушаться пленки. Мы нашли последовательность закономерностей, причем одну — совсем сравнительно не так давно.

В случае если нагревать горизонтальный слой чистого спирта точечным источником тепла, то под действием термокапиллярных сил пленка начинает утончаться, и в самый последний момент перед ее разрывом появляется ранее малоизвестное явление — мы назвали его образованием остаточного слоя. На поверхности всего нагревательного элемента образуется ровная узкая пленка жидкости, которая существует пара секунд и лишь позже начинает разрываться.
Возможно без всякого преувеличения заявить, что Университет теплофизики СО РАН — всемирный фаворит в изучении пленочных процессов, по причине того, что данной тематике в нем постоянно придавалось особенное значение. Поддерживает ее и сегодняшний директор университета — член РАН Сергей Алексеенко.
Следующее направление изучений Олега Кабова и его сотрудников связано с тепломассообменом в области линии контакта и межфазной поверхности трех фаз газ — жидкость — жёсткое тело.
— У нас имеется личная четкая концепция, что интенсифицировать тепломассообмен в высоконапряженных двухфазных мини- и микросистемах возможно, применяя процессы в области линии контакта жидкости, газа и жёсткого тела, — комментирует Кабов. — Главный момент — наличие перепадов температур на границе жидкого и газообразного вещества. В современных моделях, применяемых для расчета промышленных аппаратов, вероятные скачки температуры, в большинстве случаев, не учитываются.

Такие перепады уже зафиксированы экспериментально в отечественной лаборатории при атмосферном давлении, пока их величина не через чур велика, но мы предполагаем, что при высоких тепловых потоках эти скачки температуры смогут составлять пара градусов. Необходимо структурировать поток так, дабы контактные линии имели большую протяженность.
Один из самых свежих результатов — мы наглядно продемонстрировали высокую интенсивность испарения в области линии контакта трех фаз (газ — жидкость — жёсткое тело). Ученым продолжительное время не получалось этого сделать, поскольку тяжело внедрить микрочастицы в эту область. Мы решили проблему по-своему.

Монослой микрокапель жидкости диаметром 10 микрон формировался над интенсивно испаряющейся горизонтальной поверхностью жидкости и стекал под действием гравитации в область сухого пятна диаметром 1 мм, искусственно организованного на нагревателе. Капли практически запрыгали и заплясали в области линии контакта газ — жидкость — жёсткое тело, что разрешило возможность оценить их ускорение и доказать существование в этом месте очень высокой интенсивности испарения. Техническое устройство на базе отечественной концепции окажет помощь усовершенствовать тепловые трубы, которых, к примеру, в космическом корабле возможно более 300.
…Как вы уже осознали, сотрудничество — главное слово в данной статье. У Кабова и его сотрудников имеется совместные публикации с 20 интернациональными лабораториями. Согласно точки зрения Олега Александровича, такие контакты — один из основных способов увеличения производительности труда в науке.

Он уверен в том, что проектов по стимулированию сотрудничества отдельных научных отдельных учёных и коллективов в Российской Федерации не достаточно. В это же время объединение приборного и кадрового потенциала разных лабораторий, развитие сетевой формы организации науки — наиболее значимый резерв чтобы повысить эффективность научных изучений.
Подготовила Ольга КОЛЕСОВА
Фото из архива О.Кабова
На фото: Доктор наук О.Кабов и его ученики — кандидаты физико-математических наук Д.Зайцев и В.Чеверда

Источник: Поиск

Машины сказки — Все серии подряд — сборник сказок 5 (серии 21-26)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: