Динамика контактной линии на нагреваемой поверхности с неравномерной смачиваемостью и межфазный тепломассоперенос

Оптимизация размеров электронных устройств требует новых подходов к исследованиям процессов тепломассообмена на микромасштабе. В частности, нужны данные о поведении границы раздела жидкость-пар, об интенсивности процессов испарения, а также влияния свойств смачивания на интенсификацию теплообмена. В работе рассматривается влияние свойств смачивания твердой поверхности на тепломассообмен при движении тонкой пленки жидкости с линией контакта трех фаз, а также тепломассоперенос на границе раздела жидкость-газ (теория и эксперимент). Впервые построена модель движения контактной линии по поверхности с переменной смачиваемостью при существенном нагреве. Учтены силы Ван дер Ваальса и электростатическая компонента в расклинивающем давлении. Даны формулы для оценок толщины адсорбированного слоя, а также для краевых углов смачивания. Показано, что существенная интенсификация теплообмена происходит при оттекании контакной линии по части подложки с более высокой смачиваемостью, что связано с расширением части микрорегиона с низким термическим сопротивлением. Силы Марангони приводят к незначительному снижению среднего потока испарения, так как тангенциальное напряжение на границе раздела уменьшает подачу жидкости в микрорегион. Создана экспериментальная установка для изучения динамики и тепломассообмена контактной линии при контролируемых условиях. Установка позволяет измерять профили тонких пленок жидкости методами интерферометрии. Впервые проведены эксперименты для системы вода-пар по изучению ди-намики контактной линии при нагреве со стороны подложки. Показано влияние структуры подложки на динамику испаряющегося мениска.

Приводятся экспериментальные данные по профилям температур на межфазной границе жидкость-пар для пленки жидкости нагреваемой снизу. Эксперименты проведены при квазистационарном режиме нагрева в диапазоне температур нагревателя 23-80°С. Измерения выполнены с помощью микротермопары с поперечным размером королька 2-3 мкм и прецизионной подвижки с шагом 48 нм. Впервые зафиксированы скачки температур на межфазной границе, который увеличивается с ростом плотности теплового потока и было впервые зафиксированы режимы как с положительным скачком, так и с отрицательным, а также с отсутствием скачка температур. Эксперименты хорошо описываются качественно кинетической теорией и соотношениями Онзагера-Казимира. Результаты важны как с фундаментальной точки зрения, так и с практической, по-скольку показывают, что использование граничных условий со скачком температуры вместо общепринятых в настоящее время условий локального термодинамического равновесия на межфазной границе может иметь существенное значение для расчета высоконапряженных по тепловым потокам микро- и наносистем.

ИТ СО РАН, к. ф.-м. н. Гатапова Е.Я., Ажаев В.С. (25%), д. ф.-м. н. Кабов О.А. (25%), тел.: 8(383)316-51-37.