Плотность теплового потока в области контактной капли на поверхности сапфира

В рамках подготовки к международному эксперименту на борту МКС проводится цикл работ по исследованию теплообмена в каплях жидкости, а также контактной линии смачивания. Гидродинамика и теплообмен в капле жидкости широко встречается в науке и технике, например, при нанесении краски, при обледенении крыла самолёта, при спрейном охлаждении. В связи с этим необходимо полное понимание процессов, происходящих в капле жидкости на твёрдой поверхности, а также в области контактной линии смачивания.

По результатам проведённых экспериментальных исследований получены ИК-изображения падения капли на нагретую сапфировую пластину с чёрным покрытием. Температура данной пластины поддерживается постоянной при помощи алюминиевого теплообменника, по которому вода циркулирует при постоянной температуре из термостата. 

Схема экспериментальной установки: 1 – ИК-камера, 2 – сапфировая пластина прямоугольной формы, 3 – шприцевой насос, 4 – алюминиевый теплообменник, 5 – термостат, 6 – металлическое зеркало.

На поверхность сапфирового стекла сверху нанесено специальное графитовое покрытие для успешного использования ИК-съёмки. С помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL 6700F осуществлена съёмка этого покрытия. С помощью прибора Kruss DSA-100 измерены натекающие (149.3°) и оттекающие (19.1°) краевые углы смачивания, т.е. гистерезис составил порядка 130°.

Фото со сканирующего электронного микроскопа JEOL 6700F (а), снимок покрытия на сколе (б) и элементный состав (в).

Для определения теплового потока на верхней поверхности сапфира решалось уравнение теплопроводности с известными граничными условиями: распределение температуры на верхней поверхности подложки, а также постоянство температуры по периметру подложки в следствии контакта с тепло-обменником. На нижней поверхности пластины распределение температуры должно удовлетворять уравнению Ньютона-Рихмана. В котором коэффициент теплоотдачи определялся экспериментально и составлял 17.3 Вт/м2К. Уравнение сводится к уравнению с нулевыми граничными условиями и представляется в виде ряда Фурье. В результате получено распределение теплового потока по всей пластине и установлено наличие локального максимума в контактной линии смачивания.

ИТ СО РАН. Руководитель работы – Чеверда Вячеслав Владимирович зав. лабораторией, к.ф.-м. н. Исполнители – Гигола Татьяна Геннадиевна инженер-исследователь; Карчевский А.Л.; Марчук Игорь Владимирович в.н.с., д.ф.-м.н., профессор РАН; Кабов Олег Александрович зав. лабораторией, чл.-корреспондент РАН, д.ф.-м.н. Тел. + 7 (383) 316-51-37.