Экспериментальное исследование микротечений жидкости и газа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

005535439

На правах рукописи

Анискин Владимир Михайлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 4 ОКТ 2013

Новосибирск - 2013

005535439

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный консультант:

Маслов Анатолий Александрович, д.ф.-м.н., профессор.

Официальные оппоненты:

Голуб Виктор Владимирович, д.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией «Нестационарные газодинамические процессы», Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур (ОИВТ РАН).

Терехов Виктор Иванович, д.т.н., профессор, зав. отделом «Термогазодинамика». Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук.

Косарев Владимир Федорович, д.ф.-м.н., зав. лабораторией «Физика многофазных сред». Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Защита состоится 15 ноября 2013 г. на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д-т.н. Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

За последние десятилетия технология изготовления миниатюрных устройств сделала революционный шаг вперед.

Развитие технологии идет в сторону миниатюризации и главным образом в трех направлениях:

- уменьшение размеров устройства при сохранении хотя бы одной функции;

- увеличение количества функций устройства при сохранении размеров;

- создание принципиально новых устройств.

Движущей силой в плане миниатюризации устройств является в основном микроэлектроника. Развитые технологии микроэлектроники нашли применение для создания микро- и наноэлектромеханических систем и позволяют реализовывать принцип массовости.

С одной стороны, микроэлектроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, с другой -снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Микротехнологии и современные материалы открывают перед исследователями новые возможности, новые направления исследования. В области гидрогазодинамики сформировавшимся новым направлением является микрофлюидика - исследование течения жидкости и газа в микромасштабах. В частности, в биологии миниатюризация размеров экспериментальных устройств открывает переход к качественно новым высокопроизводительным методам решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач молекулярной и клеточной биологии, биотехнологии и биомедицины. Манипулирование в микрожидкостных системах пиколитрами жидкостей позволяет на порядок снизить количество анализируемых биологических объектов: макромолекул, клеток, биологически активных веществ.

На современном этапе развития микроэлектронной технологии существует возможность создавать чипы с миллионами транзисторов на 1 мм2. Воздушное охлаждение уже не может эффективно справляться с перегревом. В связи с этим возникает задача повышения эффективности теплоотвода от чипа, и здесь микрожидкостные устройства также находят применение.

При проектировании и создании микрожидкостных устройств различного направления необходимо прежде всего знать законы течения жидкости и газа на микро- и наноуровне. Касается это главным образом гидравлического сопротивления микро- и наноканалов, а также теплообмена в микроканалах. Изменение соотношения

поверхностных и объемных сил на микро- и наноуровне может приводить к изменению свойств поведения жидкости и газа, и необходимо знать, в чем проявляются особенности и отличия микротечений от макротечений.

Еще одним объектом исследований в области микротечений являются микроструи жидкости и газа. Струи жидкости в виде отдельных микрокапель используются в струйной печати, а также в микротсруйных системах для подкожных инъекций.

В настоящее время газовые микроструи нашли применение в современных технологических процессах, авиации и космонавтике. Технологическим применением микроструй является смешение газов и защита поверхностей от воздействия химически агрессивной или высокотемпературной среды. Сверхзвуковые микроструи имеют перспективу использования в авиакосмической области для защиты поверхностей, обтекаемых высокотемпературным потоком, и подавления плазменных образований вокруг высокоскоростных летательных аппаратов и спускаемых космических аппаратов. При этом длина сверхзвукового участка играет решающую роль в оценке эффективности струйного воздействия на поток.

В настоящее время наиболее интенсивно развиваются численные методы исследования микротечений, результаты которых в свою очередь требуют экспериментального подтверждения, поскольку используемые при моделировании основные уравнения построены на эмпирических законах макромасштабов.

Практические потребности предопределили научный интерес к исследованию дозвуковых и сверхзвуковых микроструй.

Появление нового направления исследований в области гидрогазодинамики микротечений (микрофлюидика) требует разработки новых датчиков и методов исследований течения жидкости и газа на микроуровне.

Цель исследования

Разработка новых датчиков и методики для исследования микротечений жидкости и газа. Изучение некоторых характеристик течений жидкости и газа на микроуровне. Поиск отличий поведения жидкости и газа на микро- и макроуровне и определение критериев, при которых это отличие наблюдается.

Задачи исследования

Определение коэффициента гидравлического сопротивления микроканалов различной формы и различного гидравлического диаметра.

Изучение влияния звукового воздействия на дозвуковую микрострую газа. Выявить связь скорости истечения газа, частоты и амплитуды звукового воздействия на устойчивость дозвуковой микроструи, истекающей из двумерного микросопла.

Исследование структуры сверхзвуковых недорасширенных осесимметричных микроструй. Определить характер связи основных параметров сверхзвуковых микроструй со степенью нерасчетности струи.

Научная новизна

На основе способа получения микротрубок разработана технология создания новых датчиков для аэродинамических измерений: миниатюрного датчика Пито и трубчатого датчика термоанемометра. Изготовленные датчики являются необходимым инструментарием для исследования газодинамических объектов микроскопического размера. Продемонстрированные в работе преимущества новых датчиков позволят использовать их не только для исследования микротечений жидкости и газа, но и решить ряд задач как дозвуковой, так и сверхзвуковой аэродинамики.

Разработана технология и созданы микроканалы диаметром 100-68 мкм, осесимметричные и двумерные микросопла характерным размером 340-10 мкм. Способ изготовления позволял получать как прямолинейные, так и микрокалалы II-образной формы с отверстиями в стене канала. Это позволило получить распределение давления в микроканлах для ламинарного и турбулентного режимов и определить такие особенности микротечения, как падение давления на входе в микроканал, область развивающегося течения, определить критическое число Рейнольдса.

Выявлены особенности устойчивости течения дозвуковых двумерных микроструй газа, проявляющиеся в преобразовании струи на две и более вихревые дорожки в зависимости от скорости истечения газа и сочетания параметров звукового воздействия на микрострую.

С помощью микротрубки Пито и разработанных для нее методик измерения давления впервые были исследованы сверхзвуковые недорасширенные микроструи азота и воздуха, истекающие в затопленное пространство из сопел диаметром менее 100 мкм. Показаны отличия поведения сверхзвуковых недорасширенных микроструй от макроструй, и определена область параметров, где наблюдаются эти отличия:

- значительное увеличение относительной дальнобойности струи при уменьшении диаметра сопла менее 60 мкм;

- эффект реламинаризации течения в слое смешения сверхзвуковой струи.

На основе выявленных отличий предложена классификация свободных микроструй азота по диаметру сопла, согласно которой под микроструей понимается струя, истекающая из сопла диаметром 60 и менее микрометров.

Научная и практическая значимость

Изготовленные на основе микротрубок датчики (миниатюрная трубка Пито и трубчатый датчик термоанемометра) являются новым инструментом для исследователей как в области аэродинамики, так и в области микротечений.

Полученные данные по коэффициенту гидравлического сопротивления микроканалов, входных участков микроканалов, закругленных частей микроканалов используются при проектировании микрожидкостных устройств.

Впервые продемонстрировано, что при звуковом облучении дозвуковой двумерной микроструи газа, микроструйное течение может преобразовываться не только в две вихревые дорожки, но и в большее количество вихревых дорожек, идущих под углом друг к другу, что может способствовать интенсификации смешения газов.

Пространственное разрешение микронного размера микротрубки Пито позволило определить структуру сверхзвуковых микроструй и обнаружить эффект значительного увеличения дальнобойности микроструй по сравнению со струями макроразмера.

Наиболее существенные научные положения, выдвигаемые на защиту

Существующие инструменты и методы исследования течений жидкости и газа на макроуровне не могут быть адекватно перенесены на область микротечений. В связи с этим модификация существующих инструментов и методов исследования, а также развитие новых актуальны и имеют важное значение для понимания физики явлений и процессов происходящих на микро- и наноуровие и создания микро- и наножидкостных устройств прикладного значения.

К наиболее существенным научным результатам, выдвигаемым для защиты, относятся:

- разработка новых датчиков на основе микротрубок: миниатюрного датчика Пито и трубчатого датчика термоанемометра - концепция, конструкция, свойства и области применения;

- технология изготовления микроканалов и микросопел, основанная на современных материалах;

-результаты экспериментального определения свойств течения жидкости в микроканалах;

- опытные данные по устойчивости течения дозвуковых микроструй газа;

- результаты экспериментального исследования сверхзвуковых недорасширенных микроструй газа;

- впервые обнаруженные эффекты в сверхзвуковых микроструях: увеличение относительной дальнобойности и реламинаризация слоя смешения микроструй.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, Казань, РФ, 2004, 2010, 2012 гг.); на Международной конференции «Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale» (Лука, Италия, 2005 г.); на Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, РФ, 2008 г.); на Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, РФ, 2009, 2011 гг.); на Всероссийском семинаре «Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий» (Новосибирск, РФ, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); на Международной школе-конференции «Advanced Problems in Mechanics» (Санкт-Петербург, РФ, 2009 г.); на 12-й Молодёжной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, РФ, 2010 г.); на Семинаре с международным участием «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Санкт-Петербург, Томск, РФ, 2010, 2012 гг.); на Европейской конференции по микрофлюидике «European conference on Microfluidics» (Болонья, Италия, 2008 г., Тулуза, Франция, 2010 г., Хайдельберг, Германия, 2012 г.); на X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, РФ, 2011 г.); на Третьей международной конференции «Micro and Nano Flows» (Салоники, Греция, 2011 г.); на Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Современные проблемы динамики разреженных газов» (Новосибирск, РФ, 2013 г.).

По материалам диссертации имеется два патента, опубликовано 15 статей из списка, рекомендованного ВАК, 40 публикаций в материалах российских и международных конференциях. Список основных публикаций приведен в конце автореферата [1-30].

Личный вклад автора

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, получены автором самостоятельно. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом как

лично, так и в соавторстве с С.Г. Мироновым и научным консультантом A.A. Масловым.

При разработке трубчатого датчика термоанемометра автор принимал участие в определении конфигурации, геометрии и способов крепления микротрубки. Технология изготовления микротрубок и трубчатых датчиков разработана в ИФП СО РАН. Определение свойств трубчатого датчика и часть аэродинамических экспериментов были выполнены в соавторстве с А.Н. Шиплюком.

Автором непосредственно был изготовлен миниатюрный датчик Пито, разработана технология изготовления микроканалов с отверстиями в стенке для измерения давления и микросопел (двумерных и осесимметричных).

Часть работ по исследованию дозвуковых и сверхзвуковых микроструй была выполнена в соавторстве с И.С. Цырюльниковым, Д.А. Бунтиным и C.B. Кириловским.

Представление совместных результатов согласовано с соавторами. Вклад диссертанта в основные результаты исследований является определяющим.

Достоверность результатов

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием в экспериментальных исследованиях хорошо отработанных методов термоанемометрических измерений и измерения давления. Определение геометрических характеристик микрообъектов осуществлялась по фотографиям, полученным на электронном микроскопе. Использование микроманипулятора с микронным шагом перемещения и миниатюрной трубки Пито при исследовании сверхзвуковых микроструй определяло достоверность проведенных особо тонких экспериментов. Кроме того, сопоставление данных, полученных микротрубкой Пито, с данными моделирования микроструй разреженным газом и результатами численного моделирования с помощью коммерческого пакета ANSYS Fluent, показали хорошее совпадение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 200 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 117 наименований. Текстовая часть иллюстрируется 194 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, кратко сформулированы основные цели исследования и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе приведены результаты по разработке и изготовлению новых датчиков на основе микротрубок: миниатюрного датчика Пито и трубчатого датчика термоанемометра.

В разделе 1.2 описан оригинальный метод формирования микро- и нанотрубок, разработанный в Федеральном государственном бюджетном учреждение науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова СО РАН. В данном методе тонкая напряженная гетеропленка самосворачивается в трубку - свиток при освобождении от связи с подложкой. Процесс самосворачивания идет за счет действия межатомных сил в напряженной пленке.

Раздел 1.3 посвящен

изготовлению миниатюрного датчика Пито на основе микротрубок. Конструктивно устройство состоит из трех элементов: приемника давления, пневмотрассы и приемной трубки (рис. 1). В качестве приемника давления использовался дифференциальный

Рис. 1. Микротрубка Пито

датчик давления. Пневмотрасса

была выполнена из стеклянной трубки. Приемная микротрубка имела внешний диаметр 12 мкм при толщине стенки порядка 0,1 мкм.

В разделах 1.4, 1.5 описываются разработка, выбор геометрии и технология изготовления трубчатого датчика термоанемометра и массива распределенных микротрубок на основе напряженных пленок InGaAs/GaAs и Si02/Si3N4/Au (рис. 2).

В разделе 1.6 приводятся данные по определению статических, частотных и температурных характеристик трубчатых датчиков.

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения трубчатых датчиков

Было показано, что при значении перегрева трубки 1,2 ее температура составляет 180-200°С, что достаточно для использования ее в аэродинамических экспериментах. Температурные измерения показали, что вследствие незначительного отвода тепла в державки датчика длина трубчатого элемента может составлять 20-30 калибров (в 5 -7 раз меньше проволочного аналога), за счет чего достигается повышение пространственного разрешения.

Основное преимущество трубчатого датчика заключается в его частотной характеристике. В качестве примера на рис. 3 приведены графики, показывающие отклик проволочного (а) и трубчатого (б) датчиков на импульсный нагрев лазером частотой 50 Гц, 5 кГц, 10 кГц и 20 кГц. Хорошо видно, что трубчатый датчик отслеживает изменение температуры вплоть до 20 кГц, в то время как проволочный датчик, из-за своей сравнительно большой тепловой инерции, не успевает отслеживать изменение температуры уже при частоте 5 кГц. Постоянная времени проволочного датчика, определенная по полученным зависимостям, равна 1200 мкс, для трубчатого датчика - 15 мкс, что в 80 раз меньше.

' норм 1 норм

Рис.3. Отклик датчиков на импульсный нагрев: а - проволочный датчик; 6 - трубчатый датчик

В разделе 1.7 приведены примеры использования трубчатого датчика при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях потока.

Трубчатый датчик использовался для определения пульсаций скорости в турбулентном пограничном слое на плоской пластине при дозвуковой скорости набегающего потока (раздел 1.7.1). Было показано, что при исследовании дозвуковых течений возможно использование трубчатого датчика без компенсации тепловой инерции.

Раздел 1.7.2 посвящен результатам использования массива микротрубок на поверхности плоской пластины в дозвуковом потоке. Эксперименты показали, что полупроводниковые микротрубки можно использовать как датчики для проведения измерений скорости потока в пограничном слое методом пространственно-временной корреляции, для определения пульсаций скорости и как источники возмущения в поток.

В разделе 1.7.3 приведен пример применения трубчатых датчиков для измерений акустических пульсаций.

Первое применение трубчатых датчиков в сверхзвуковых течениях проводилось в экспериментах по исследованию взаимодействия ударной волны с турбулентным пограничным слоем (раздел 1.7.4). Была продемонстрирована возможность использования трубчатых датчиков при сверхзвуковых скоростях.

Во второй главе представлены результаты исследования течений жидкости в микроканалах.

В разделе 2.2 рассматриваются способы определения коэффициента гидравлического сопротивления микроканалов. Таких способов два - измерение давления в области развитого течения и измерение перепада давления на всем микроканале. Часто удобным является измерение давления в коллекторах на входе и выходе канала. Для исключения влияния концевых эффектов, под которыми подразумевается падение давления на входе и выходе микроканала, а также в области развивающегося течения используются справочные значения коэффициентов местных потерь, известные для макроканалов, или метод двух каналов.

Раздел 2.3 посвящен описанию характеристик используемых микроканалов, а также подробному описанию способа создания микроканалов. Разработанная на основе фотополимера технология изготовления каналов позволяет получать микроканалы с отверстиями в стенке, что дает возможность измерения давления непосредственно внутри микроканла.

В работе использовались четыре группы микроканалов, указанных в таблице.

Первая группа состоит из трех прямых стеклянных микротрубок.

Вторая группа включает в себя два микроканала, выполненных из полимера, диаметром 100 мкм, один из которых имеет прямолинейную, а другой [/-образную форму. В обоих микроканалах сделано по четыре отверстия для измерения давления жидкости.

Третья группа микроканалов состоит из двух микроканалов, также выполненных из полимерного материала: прямого микроканала диаметром 68,9 мкм и микроканала и - образной формы диаметром 70,3 мкм. В обоих каналах сделано по шестнадцать отверстий по длине канала для измерения давления жидкости.

В четвертую группу входят микроканальные кремниевые пластины (см. таблицу).

В экспериментах с микроканалами второй и третьей групп подача жидкости осуществлялась как с одной стороны микроканала (прямой ход), так и с другой (обратный ход). Это давало возможность при одинаковом расходе жидкости при прямом и обратном ходе объединять полученные значения давления. При изготовлении микроканалов третьей группы (16 отверстий по длине) координаты точек для измерения давления выбирались таким образом, чтобы при прямом и обратном ходе они не совпадали. Таким образом, при 16 точках измерения можно получить 32 точки значений давления по длине микроканала. Такой подход повышает информативность полученных данных, что особенно важно для определения области развивающегося течения.

Основные параметры микроканалов

Группа Форма Форма Материал Характерный Длина Измерение

сечения микроканала размер микроканала, давления

микроканала микроканала, мкм мм внутри микроканала

1 круглая прямолинейная стекло 025,4-34,5 2,25-11,72 нет

круглая прямолинейная фотополимер 0100 19,37 да

2 круглая ¿/-образная фотополимер 0100 19,97 да

круглая прямолинейная фотополимер 068,9 11,33 да

3 круглая ¿/-образная фотополимер 070,3 10,7 да

4 квадратная прямолинейная кремний 4x4, 12x12 0,19-0,2 нет

Точное определение размеров сечения микроканалов являлось первоочередной и важной задачей, так как даже небольшие неточности в определении размера приводят к большим погрешностям в определении коэффициентов гидравлического сопротивления. Размеры поперечных сечений изготовленных микроканалов определялись при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Разделы 2.4 и 2.5 посвящены описанию экспериментальных стендов и методике экспериментов.

В качестве рабочей жидкости во всех экспериментах использовалась дистиллированная деионизированная вода. Дополнительно вода была обезгажена путем пропускания через нее гелия. Обезгаживание воды необходимо для исключения кавитации, которая может приводить к погрешностям измерения расхода жидкости.

В ходе эксперимента измерялись расход жидкости, давление жидкости на входе в микроканал и перепад давления на микроканале.

В разделе 2.6 приведен анализ экспериментальной погрешности.

В разделе 2.7 приведены результаты исследования течения жидкости в микроканалх.

Для третьей группы каналов получено подробное распределение давления. На рис. 4, в качестве примера, приведено распределение давления по длине прямолинейного микроканала для нескольких чисел Рейнольдса. Закрашенные значки обозначают распределение давления для прямого хода, полые - для обратного хода. Наблюдается совпадение распределений давления прямого и обратного ходов при небольших числах Рейнольдса. В области чисел Рейнольдса от 1800 до 2574 распределения не совпадают. Это объясняется тем что, как показывается в работе, в случае обратного хода уже начался переход от ламинарного к турбулентному режиму течения, а в случае прямого хода - нет. Для чисел Рейнольдса больше 2895 распределения давления для обоих ходов совпадают, что означает завершение ламинарно-турбулентного перехода и турбулентный характер течения.

65 —--

60 Ке

______ 322 _

55 -I ' ! ' а 965

50 ——г.........................► 1608 -

45 _„ ' ' -,-|----.- ♦ 2413 —

43 . 0 • 2734 ¡г 40 —' —-—з-1-I-т 2895

135 ~ -•

=с зо т----• . ;——

* * * __

25--i-*-;—--

♦ ♦ ^

20 - ----- — —.----------^ ~

15--' ' " • —5---*-;—•----?-

* . ° I _

5 -1 _ " ■ . » 2

° о 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

х/ь

Рис. 4. Распределение давления жидкости в прямолинейном микроканале

Для гУ-образного микроканала распределение давления в случае обратного и прямого ходов совпали при всех числах Рейнольдса. Как показал расчет, на искривленном участке образуются вихри Дина, которые приводят к искажению линейного распределения давления.

Для всех исследуемых в работе прямолинейных микроканалов экспериментально определенный как по распределению давления, так и по методу двух каналов коэффициент гидравлического сопротивления совпадает с теоретическим значением.

Ре 322

■ 965

► 1608 - • 941Я

• .О -7 Т • 2734

• 0 *

о О • Т

♦ • с -

* ♦ О •

* ♦

' - ♦ о 1

п ■ □ ■ о ■ □ - □ ■ ш 1> »с- ♦ • : 5»

о ■ п ■ о 1 ° ь 2 8.Л

о 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.

х/ь

. Распределение давления жидкости в прямолинейном микроканале

В качестве примера на рис. 5 приведена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса для прямолинейного микроканала третьей группы. Видно, что в случае прямого и обратного хода жидкости ламинарно-турбулентный переход осуществляется по-разному. Различный характер ламинарно-турбулентного перехода может определяться шероховатостью входной кромки микроканала. Число Рейнольдса перехода составляло 2300 - 2600.

В [/-образных микроканалах наибольший интерес представляет область закругления. Для [/-образных микроканалов второй и третьей групп (см. таблицу) диаметром 100 и 70,3 мкм соответственно был определен коэффициент сопротивления в области закругления. Полученный результат сравнивался со справочным значением для плавно изогнутых труб. Установлено, что коэффициент сопротивления криволинейного участка [/-образных микроканалов меньше справочного значения на 10 - 17% при Яе > 1500.

Значительный интерес представляет область входа в канал, а именно сопротивление входного участка. Изучение этого вопроса осложняется крайне малыми размерами исследуемого участка, на котором происходит падение давления. На рис. 6 представлены сопротивления входных участков, определенные для микроканалов второй и третьей групп. Шероховатость входной кромки микроканала оказывает влияние на коэффициент сопротивления входного участка микроканалов, который в 2 - 3 раза превысил справочные значения.

/

— 64/Re

• 0 100 мкм (прямолинейный канал) А 0 100 мкм (и-образный канал)

т 0 68,9 мкм (прямолинейный канал)

• 0 70,3 мкм (и-образный канал)

• Идельчик И.Е.

• прямой ход а обратный ход

500 1000 2000 3000

Re

Рис. 5. Коэффициент гидравлического сопротивления микроканала диметром 68,9 мкм

о 1000 2000 зооо

Re

Рис. 6. Коэффициент сопротивления входных участков микроканалов

Третья глава посвящена исследованию устойчивости дозвуковой двумерной микроструи.

В разделе 3.2.1 рассмотрена методика проведения исследований. В экспериментах использовался теневой прибор со стробоскопическим источником подсветки. В качестве источника акустического излучения использовался динамик. Амплитудно-частотные характеристики генерируемых возмущений определялись микрофоном.

Эксперименты проводились с использованием двумерного сопла размером 17x1875 мкм. Сопло устанавливалось большей стороной параллельно оси теневого прибора. Таким образом, в поле обзора камеры находилась торцевая часть струи, а акустическое воздействие осуществлялось на фронтальную часть струи.

Интенсивность монохроматических акустических волн (X), создаваемых динамиком для введения контролируемых периодических возмущений, составляла до 125 дБ в диапазоне частот/^ = 4-20 кГц.

В качестве рабочего газа использовался гелий, что позволило визуализировать шлирен-методом течение микроструи за счет значительного отличия в коэффициенте преломления гелия и воздуха. Скорость струи варьировалась от 140 до 370 м/с. Число Рейнольдса струи, определенное по ширине сопла и параметрам потока на срезе сопла, составляло от 23 до 62.

Возмущения массового расхода в микроструе измерялись термоанемометром постоянного сопротивления. Сигналы с датчика термоанемометра обрабатывались с помощью гармонического и биспектрального анализа с целью выявления спектрального состава и характеристик нелинейного взаимодействия возмущений в струе.

Измерения мгновенных и осредненных полей скорости выполнялись методом Р1У с помощью лазерной микродиагностической системы фирмы БАЫТЕС. При Р1У-измерениях осуществлялось как задымление окружающего пространства, так и ввод частиц дыма в трассу подачи газа.

В разделе 3.2.2. приведены результаты исследования.

На рис. 7 показаны картины стробоскопической визуализации течения микроструи при изменении скорости истечения гелия и фиксированных параметрах: частота воздействия/! = 4,25 кГц, интенсивность воздействия Ь = 125 дБ.

Стробоскопическая шлирен-визуализация поля течения показала, что без акустического воздействия микроструя гелия слабо расширяется и распространяется в виде одноструйного течения. Акустическое воздействие приводит к возникновению быстро растущих синусоидальных возмущений поля течения струи, распаду одноструйного потока и формированию течения с большим углом расширения,

состоящего из ряда струй. Использование метода Р1У и вычисление мгновенного поля завихренности течения показали, что видимые на рис. 7 отдельные струи в действительности представляют собой цепочки вихрей распространяющихся под углом к начальному направлению течения микроструи. В зависимости от величины амплитуды, частоты акустического воздействия и скорости газа на срезе сопла микроструйное течение может преобразовываться не только в две вихревые дорожки, что наблюдалось ранее для макро- и министруй, но и в большее количество вихревых дорожек, идущих под углом друг к другу.

:

т

•

1 я 1 у (

и= 145 м/с г/=189м/с и=201м/с г<=254 м/с и=367 м/с

Рис. 7. Стробоскопическая шлирен-визуализация течения микроструи

Термоанемометром в экспериментах были измерены характеристики возмущений массового расхода на низкоскоростном участке струи гелия, истекающей из сопла 17x1875 мкм.

Подробную картину динамики изменения спектров пульсаций массового расхода дают графики на рис. 8, на которых показаны эволюция спектров пульсаций массового расхода в струе при удалении от среза сопла с воздействием звука (а) и без звукового воздействия (б). Изолинии амплитуды мощности построены в логарифмическом масштабе. При наличии акустического воздействия вблизи сопла наблюдаются интенсивные возмущения на основной частоте и на частоте гармоник, а вдали присутствуют широкополосные турбулентные пульсации и пульсации только на основной частоте.

Для детализации особенностей нелинейных процессов в микроструе был применен метод биспектрального анализа сигнала термоанемометра, получивший распространение в исследованиях устойчивости пограничных слоев. Конечным результатом биспектрального анализа являются спектры бикогерентности, которые показывают вероятность фазовой связи двух произвольных волн с третьей волной. Если величина бикогерентности близка к единице, то эта третья волна является

продуктом нелинейного взаимодействия первых двух волн. Если величина бикогерентности близка к нулю, то все три волны совершенно независимы друг от друга.

Рис. 8. Изолинии спектров пульсаций массового расхода в плоскости частота-расстояние от сопла: а — и = 220 м/с,/= 4,2 кГц, Ь = 90 дБ, б - без звукового воздействия

На рис. 9 приведены графики спектра бикогерентности пульсаций массового расхода в сечении микроструи х/к = 195 (где х - расстояние от сопла, И - ширина сопла). На рис. 9, а приведен спектр для микроструи без воздействия акустики (и = 220 м/с), на рис. 9, б - с воздействием акустических волн (и = 220 м/с,/= 4,2 кГц, Ь = 90 дБ).

—"' А. б

с/

/

ч

10 15 20 Г кН2

Рис. 9. Спектры бикогерентности пульсаций массового расхода в сечении х/И = 195

Анализ спектров бикогерентности естественных возмущений, развивающихся в струе в отсутствии звукового воздействия, показал отсутствие нелинейного взаимодействия волн вплоть до сечения х//г = 610. Затем появляется область

взаимодействующих волн, которая расширяется с увеличением х/й, заполняя всю область пика естественных пульсаций.

Спектры бикогерентности искусственных возмущений, генерируемых звуковым воздействием, показывают, что уже в первом измеряемом сечении присутствуют сильные нелинейные процессы, вызванные наложенным звуковым полем, которые достигают максимума на расстоянии х/к ~ 120-160. Все нелинейные взаимодействия связаны с генерацией гармоник основной волны /= 4,2 кГц. Начиная с расстояния х/к ~ 225 в спектрах бикогерентности появляется еще один тип нелинейного взаимодействия на частоте субгармоники основной волны: =/1 = 2,1 кГц =/)/2, /з =/1 ~ 4,2 кГц =/ То есть в нелинейном взаимодействии участвуют три волны: основная волна и две субгармоники так же как это происходит в пограничном слое. Подобное взаимодействие говорит о присутствии субгармонического резонанса. По-видимому, именно за счет субгармонического резонанса происходит более ранний рост естественных низкочастотных возмущений, о котором говорилось выше. Таким образом, энергия высокочастотных возмущений за счет нелинейных взаимодействий перекачивается в возмущения с низкими частотами, провоцируя их рост. Аналогичные процессы имеют место и в пограничном слое.

В четвертой главе рассмотрены вопросы о структуре сверхзвуковых недорасширенных микроструй, истекающих в затопленное пространство.

В разделе 4.2 описана технология изготовления осесимметричных звуковых микросопел. На рис. 10 приведены полученные на электронном микроскопе изображения выходных отверстий некоторых изготовленных микросопел.

Рис. 10. Электронные фотографии выходных отверстий мини и микросопел

Проведен анализ по отклонению формы выходного сечения микросопла от окружности, определена величина абсолютной и относительной шероховатости кромки сопла.

Раздел 4.3 посвящен методике проведения экспериментов с микроструями при их исследовании микротрубкой Пито и визуализации, а также при моделировании микроструй макроструями.

При проведении экспериментов по исследованию структуры микроструй, истекающих из сопел диаметром 341 - 10,4 мкм, основным инструментом являлась изготовленная соискателем микротрубка Пито.

Все эксперименты были проведены с использованием азота и воздуха в качестве рабочего газа. Газ комнатной температуры подавался в форкамеру сопла, проходя при этом три фильтра: 10, 1,4 и 0,45 мкм. Столь высокие требования к чистоте газа определяются малым диаметром приемной трубки и субмикронной толщиной ее стенки. Без тройной системы очистки газа мельчайшие частички либо ломают микротрубку, либо, осаждаясь на внутренней поверхности, закупоривают ее, делая непригодной для измерения.

Микротрубка закреплялась на державке, которая передвигалась в пространстве микроманипулятором Narishige NT-88E с точностью ± 1 мкм по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Положение микротрубки Пито контролировалось с помощью стереоскопического микроскопа Nikon SMZ1500.

Определение относительной дальнобойности микроструи (Z.J и среднего размера бочек струи (Ls) (рис.11) осуществлялось по осевому распределению давления. Под дальнобойностью струи понимается расстояние от среза сопла до точки на оси струи, в которой скорость достигает местной скорости звука.

В экспериментах по визуализации течений использовалась стандартная Lc - длина сверхзвукового участка

схема теневого метода. Струи истекали в затопленное пространство из сопел диаметром от 341 до 21,4 мкм. Рабочим газом являлся воздух, давление в форкамере сопла менялось от 1,5 до рис. 11. Дальнобойность струи 10 атм.

Для выявления возможности моделирования микроструй с помощью параметров подобия были проведены эксперименты по измерению дальнобойности сверхзвуковых струй, истекающих из макроскопического звукового сопла диаметром 1 мм в разреженное пространство. Эксперименты были выполнены в камере низкого давления. В качестве рабочего газа использовался воздух окружающего пространства. Если в случае сопел микронного размера число Рейнольдса изменялось как давлением в форкамере, так и диаметром сопла, то при моделировании микроструй число Рейнольдса струи определялось только давлением в форкамере сопла. Моделирование диаметра микросопла осуществлялось понижением давления в рабочей камере. В дальнейшем струя газа, истекающая через сопло 1 мм в камеру пониженного

давления, будет называться модельной струей, а диаметр, моделируемый по Рейнольдсу истечением модельной струи, - моделируемым диаметром.

В качестве приемной трубки Пито использовалась медицинская игла, внутренним диаметром 0,1 мм.

В экспериментах моделировалось истечение струй из сопел диаметром от 30 до 2 мкм. Моделирование микроструй позволяет достичь больших значений нерасчетности, которые сложно реализовать в экспериментах с реальными микроструями.

Результаты исследования микроструй, истекающих из сопел, диаметром 341-10,4 мкм, приведены в разделе 4.4.

При проведении экспериментов давление в форкамере изменялось от 2 до 8 атм. Числа Рейнольдса, рассчитанные по диаметру сопла и параметрам потока на срезе сопла находились в диапазоне от 312 до 27875; максимальное чисто Кнудсена составляло 0,0033, что соответствует сплошной среде; степень нерасчетности струи п (отношение статического давления на срезе сопла к давлению окружающего пространства) менялось в диапазоне от 1,2 до 4.

На рис. 12, в качестве примера, приведено осевое распределение давления, измеренного микротрубкой Пито (Р0'), для струи, истекающей из сопла диаметром 21,4 мкм и различных п в зависимости от расстояния от среза сопла. Расстояние от среза сопла нормировано на диаметр сопла Д а показания микротрубки Пито нормированы на ее показания на срезе сопла. Видно, что имеется квазипериодическое изменение давления на оси, обусловленное существованием ударно-волновой структуры в струе. Подобное распределение наблюдалось для всех исследуемых струй.

Для струй, вытекающих из сопел диаметром 34,8, 21,4 и 16,1 мкм, в очень узком диапазоне давлений было зафиксировано большое число бочек. Это хорошо видно на рис.12 (и =1,87). При давлении в форкамере выше или ниже этого диапазона большого числа ячеек не наблюдается. Так, например, для струи, истекающей из сопла диаметром 21,4 мкм, было зафиксировано 28 бочек, а для струи, вытекающей из сопла 16,1 мкм, - 35. Такого большого количества бочек в макроструях, по доступной литературе, найдено не было.

Измерения поперечного распределения Р0' проводилось для струй, истекающих из сопел диаметром 65,3 и 23 мкм. Было показано, что форма и характер изменения поперечных профилей Р0' соответствуют структуре макроструй.

хт

Рис. 12. Осевое распределение Ра'

В струях, истекающих в затопленное пространство, размер бочек при увеличении расстояния от сопла постепенно уменьшается из-за роста толщины слоя смешения. Средний размер бочки струи определялся по размерам второй, третьей и четвертой бочек. Результаты приведены на рис. 13. Видно, что данные для всех микроструй хорошо совпадают друг с другом до величины степени нерасчетности п < 2. При п > 2 разброс значений увеличивается, а экспериментальные данные для струй, истекающих из сопел диаметрами 16,1 и 10,4 мкм, лежат на 10- 15% выше значений среднего размера бочек для остальных струй. Столь хорошее совпадение показывает, что уменьшение диаметра сопла до 16-10 мкм не оказывает влияния на волновую структуру струй.

По распределению давления на оси струи была определена их относительная дальнобойность, то есть длина сверхзвукового участка.

Полученные данные можно разделить на три группы. В первую группу (рис. 14, а) входят струи, истекающие из сопел диаметром 65 и более микрометров. Сплошной и пунктирной линиями на рис. 14 показаны обобщенные зависимости относительной дальнобойности для турбулентных струй макроскопического размера. Видно хорошее совпадение данных для микроструй с обобщенными зависимостями для турбулентных макроструй.

•

*

« #

• 4 «

щ *

о

•V

--- Л— -- -- ---- ---

г

¥

♦ ¿1 4 цт и дт

+ 34.8 цт а 341 цт

44.3 дт

I , I

01----1-1-ь

12 3 4

Рис. 13. Средний разм"р бочек струй

Ко второй группе можно отнести струи, истекающие из сопел диаметрами 61,4 - 21,4 мкм, данные для которых приведены на рис. 14, б. Видно, что в этом случае происходит значительное, в несколько раз, увеличение дальнобойности микроструи по сравнению с дальнобойностью макроструй. Затем, при увеличении и, происходит смена режима большой дальнобойности струи на режим, дальнобойности, характерный для макроструй, и, в некоторых случаях, происходит вновь увеличение дальнобойности.

5

»¿Г

• 149 (1ГТ1

215 цт

341 ^т

т 400 дт 1 13]

>

, 1'

- - !

- .• ^

••¿Г

л

4

- ▲ 16.1 цт- -----/— г —

* ••

••I

• ■ : •

• /

/

/

У

;

Рис. 14. Относительная дальнобойность микроструй в зависимости от нерасчетности

струи

К третьей группе (рис. 14, в) можно отнести микроструи, истекающие из сопел диаметром 16,1 и 10,4 мкм. В этом случае дальнобойность также превышает значения для макроструй, но уменьшения дальнобойности до значений, характерных для макроструй, не происходит во всем достигнутом диапазоне значений нерасчетности.

Однако для струи, истекающей из сопла диаметром 16 мкм, наблюдается небольшое уменьшение дальнобойности с последующим ростом.

Особый интерес представляют данные по дальнобойности второй и третьей групп. Значительное увеличение дальнобойности микроструй зафиксировано впервые. Также впервые обнаружен эффект восстановления длины сверхзвукового участка после его уменьшения (при увеличении степени нерасчетности струи).

Поскольку характер дальнобойности при уменьшении диаметра сопла менее 60 мкм резко отличается от законов развития дальнобойности для макроструй, предложено микроструями считать струи, истекающие в затопленное пространство с атмосферным давлением из сопел диаметром 60 и менее микрометров.

В разделе 4.4.8 рассмотрен вопрос о влиянии шероховатости кромки сопла на дальнобойность. Показано, что шероховатость кромки сопла может как сокращать диапазон п при котором реализуется режим большой дальнобойности, так и увеличивать его.

В разделе 4.4.9 представлены результаты измерения деформации границы струйного течения в пределах первой бочки струй, истекающих из осесимметричного сопла диаметром 23 мкм и двумерного сопла размером 17x1875 мкм.

Было показано, что, как для осесимметричной струи, так и в случае струи, истекающей из двумерного сопла, на границе струи развиваются возмущения, характер развития которых (рост и объединение с увеличением расстояния от сопла) соответствует характеру развития вихрей Гертлера на криволинейной границе недорасширенных макроструй.

Раздел 4.5 посвящен визуализации мини- и микроструй. По теневым фотографиям были определены размеры первой бочки и средние размеры бочек, а также дальнобойность струй (в тех случаях, где это было возможно сделать). Проведенное сравнение данных, полученных по фотографиям и микротрубкой Пито, показало хорошее совпадение как размеров бочек, так и дальнобойности струй.

В экспериментах удалось визуализировать струю, истекающую из сопла диаметром 34,5 мкм, однако различимую структуру можно было наблюдать только на визуализации струи, истекающей из сопла диаметром 44,3 мкм.

В разделе 4.6 приведены результаты моделирования микроструй макроскопическими струями. Было получено хорошее совпадение средних размеров бочек модельных и реальных микроструй.

Показано, что модельные струи также испытывают быстрый рост длины сверхзвукового участка с последующим падением к зависимостям для макроструй. При уменьшении моделируемого диаметра сопла, начиная с диаметра 17,8 мкм, глубина провала уменьшается и имеет место восстановление первоначального роста

длины сверхзвукового участка с увеличением нерасчетности струи. Для эффективных диаметров сопел менее 5 мкм наблюдался только рост длины сверхзвукового участка в области достигнутых значений нерасчетности.

В разделе 4.7 приведены расчетные данные стационарного истечения микроструй. Численное моделирование истечения сверхзвуковых струй из микросопел было выполнено с помощью коммерческого пакета ANSYS Fluent. Задача решалась в двумерной осесимметричной постановке. Стационарные двумерные уравнения Навье - Стокса решались либо для ламинарного режима истечения, либо с добавлением к-со SST-модели турбулентности. Расчеты проводились для диаметров сопел 44,3, 34,8, 21,4, 16,1, 10,4, 5,2, 2 мкм. Расчетные области для каждого диаметра критического сечения строились на основе геометрических параметров реальных микросопел. Расчетная область включала как сопловой тракт, так и прямоугольный выходной участок.

Результаты численного моделирования предсказывают возможность истечения струи в режиме большой дальнобойности. В этом случае сверхзвуковой режим истечения должен быть ламинарным (рис. 15).

а

Рис. 15. Поля изолиний числа Маха М> 1 струи, истекающий из сопла 15 = 44,3 мкм, п = 1,6: а - ламинарная модель, б - к-ш ВБТ-модель турбулентности

Рассчитанные размеры бочек микроструй, истекающих из сопел более 16,1 мкм, с достаточной точностью совпадают с экспериментальными значениями. Различие по размерам бочек струй начинает проявляться со струи, истекающей из сопла диаметром 10 мкм. Расчетные данные для сопел диаметром 5,2 и 2 мкм показывают значительно меньший относительный размер бочек струи. С чем связано это уменьшение окончательно не ясно.

На рис. 16 приведено сравнение расчетной дальнобойности некоторых микроструй с экспериментально определенными дальнобойностями реальных микроструй и модельных струй. В целом, видно, что численное моделирование в рамках выбранных моделей адекватно описывает длину сверхзвукового участка в эксперименте. Для струй, истекающих из сопел диаметром менее 18 мкм, совпадение экспериментальных и расчетных данных очень хорошее.

2 3 П

Рис. 16. Сравнение смоделированных микроструй

4 5 6 7 8 дальнобойности

4 5 6 78910 20 30 П

реальных,

модельных

В разделе 4.8 рассмотрен вопрос о влиянии диаметра микротрубки Пито на измерение Р0'. Показано влияние трубки Пито на осевые измерения / ¡) при сопоставимых диаметрах сопла и микротрубки Пито и при расположении последней в начальной части струи. Экспериментально было показано, что диаметр трубки Пито не влияет на определение среднего размера бочек струи. Для определения соотношения диаметров сопла и трубки Пито, при котором результаты измерений дальнобойности являются достоверными, были проведены специальные расчеты и выполнены дополнительные эксперименты. На основе полученных данных сделан вывод, что если диаметр трубки Пито меньше или сопоставим с диаметром сопла, то определение дальнобойности струи выполняется корректно.

В разделе 4.9.1 представлены результаты использования термоанемометра для исследования течения микроструй. Термоанемометром в микроструях определялся уровень интегральных пульсаций и их спектральный состав.

Для струй, истекающих из сопел диаметром менее 60 мкм, были получены данные, которые позволили более четко понять процессы, происходящие в микроструях, и выяснить, что резкое падение длины сверхзвукового участка микроструй с ростом нерасчетности связано с ламинарно-турбулентным переходом в струйном течении.

На рис. 17, а показана дальнобойность струи, истекающей из сопла диаметром 21,4 мкм. Красными линиями на графике обозначены значения нерасчетности струи, при которых были получены осевые распределения интегральных пульсаций (рис. 17, б-г) и спектральные характеристики. Нерасчетности выбирались из следующих соображений. При п= 1,49 в микроструе наблюдается режим большой

дальнобойности. При и =1,89 происходит смена режима течения струи: режим большой дальнобойности заканчивается. При п = 3,35 режим дальнобойности соответствует дальнобойности для макроструй.

Когда струя находится в режиме большой дальнобойности (рис. 11, б, п = 1,49), уровень интегральных пульсаций во всем диапазоне расстояний ЬУО низок, а спектр не содержит заметных пульсаций. При п= 1,89 (рис. 17, в) в диапазоне расстояний Х/Э=СН-20 уровень интегральных пульсаций остается низким, однако затем, при увеличении Х/И, происходит рост интегральных пульсаций, а спектр пульсаций расширяется по частоте. При п = 3,35 (рис. 17, г), так же как и в предыдущем случае, происходит резкий рост интегральных пульсаций, а спектр пульсаций расширяется интенсивней.

Резкое повышение уровня интегральных пульсаций и наполнение спектра пульсаций трактуется как ламинарно-турбулентный переход в слое смешения струи. Из вышесказанного следует, что увеличение длины сверхзвукового участка микроструй связано с ламинарным характером течения в них. Кроме прочего это показывает, что неустойчивость в микроструе имеет характер конвективной неустойчивости, а не глобальной. В последнем случае пульсации охватили бы всю длину микроструи.

Если объединить термоанемометрические измерения для различных нерасчетностей струи, то можно построить изолинии интегральных пульсаций в координатах п - /,,/£). Если затем совместить полученные графики с графиками дальнобойности (построенными так же в координатах п — Ьс/Э), то можно получить более полное представление о развитии возмущений в слое смешения микроструй и их влияние на дальнобойность микроструй.

Пример таких графиков представлен на рис. 18 для струй, истекающих из сопел диаметрами 36 (а) и 24,3 (б) мкм. Точками показано значение дальнобойности, красной линией на графиках изолиний интегральных пульсаций отмечено значение, с

которого начинается их рост. Фактически, эта линия отображает положение точки ламинарно-турбулентного перехода в слое смешения струи в зависимости от нерасчетности струи. Сплошной и пунктирной линиями обозначены обобщающие зависимости дальнобойности для турбулентных макроструй. При анализе графиков эти зависимости являются определяющими,

Как видно на графиках, турбулизация струи происходит практически мгновенно. Однако точка начала турбулизации струи может находится как ниже обобщающих зависимостей для турбулентных макроструй, так и выше. В первом случае значение дальнобойности микроструи начинает соответствовать обобщающим зависимостям для турбулентных макроструй и не зависит от положения точки перехода к турбулентности в слое смешения струи. Во втором случае значение дальнобойности микроструи строго коррелирует с положением точки ламинарно-турбулентного перехода, и характер изменения дальнобойности (становится она меньше или больше) четко следует характеру изменения перехода к турбулентности. В случае исчезновения пульсаций в струе (рис. 18, б) происходит ее полная реламинаризация и восстановление режима большой дальнобойности.

160 160 140 130 120 110 100 90

1 И 1'

V V

1 ! 11

1 и)'(

1

-- || ' ы —

А I1

1 •

•1

' *1

Рис. 18. Изолинии интегральных пульсаций и дальнобойность микроструй: а-диаметр сопла 36 мкм, б - диаметр сопла 24,3 мкм

Подробный анализ изменения дальнобойности и развития пульсаций в слое смешения микроструй позволил построить схему течения при различных значениях нерасчетности.

Условно все струи по механизму развития возмущений в слое смешения можно разделить на четыре группы. В первую группу входят струи, истекающие из сопел диаметром более 60 мкм (макро- и министруи). Во вторую - струи, истекающие из

сопел диаметром от 60 до 35 мкм. В третью группу входят струи, истекающие из сопел диаметром от 35 до 10 мкм. И в четвертую - струи, истекающие из сопел диаметром менее 10 мкм.

Схема для струй из первой группы представлена на рис. 19. По осям отложены нерасчетность струи и относительная дальнобойность. Линией показана обобщающая зависимость для дальнобойности турбулентных макроструй. Центральная область (красный цвет) - сверхзвуковая часть струи. Также изображены границы струи и сопло. Различное положение сопла соответствует различной нерасчетности.

В турбулентных макроструях слой смешения турбулентный уже в пределах первой бочки струи. При увеличении нерасчетности струи слой смешения остается турбулентным, а дальнобойность растет согласно обобщающим зависимостям. Условно можно назвать приведенную на рис. 19 схему - турбулентный макросценарий изменения

дальнобойности.

На рис. 20 приведена схема изменения дальнобойности для струй второй группы (60 мкм < й < 35 мкм). При небольших значениях нерасчетности струи слой смешения ламинарный и дальнобойность растет, не испытывая на себе влияния развития возмущений (рис. 20, 1-4). Затем происходит резкая турбулизация (рис. 20, 5), и точка ламинарно-

Рис. 19. Схема течения для струй первой группы (£> > 60 мкм)

турбулентного перехода и значение дальнобойности попадают на обобщающую зависимость для турбулентных макроструй. При дальнейшем увеличении нерасчетности струи (рис. 20, 6, 7) точка лами-нарно-турбулентного перехода в слое смешения струи смещается к соплу, а дальнобойность увеличивается

2 3

Рис. 20. Схема течения для струй второй группы (60 мкм < О < 35 мкм)

согласно турбулентному макросценарию.

Схема изменения дальнобойности для струй третьей группы (35 мкм <£> < 10 мкм) приведена на рис.21. Вначале, при малых значениях нерасчетности струи слой смешения

1 2 3 4 5

9 10 И

ламинарный, дальнобойность растет (рис. 21, 1-4). При увеличении нерасчетности струи в слое смешения происходит ламинарно-турбулентный переход, но точка перехода лежит выше обобщающей зависимости для макроструй (рис. 21, 5). Дальнейшее увеличение п смещает точку перехода еще ближе к соплу, однако она по прежнему находится выше обобщающей

Рис. 21. Схема течения для струй второй группы (35 мкм < О < 10 мкм)

зависимости (рис. 21, 6). Последующее увеличение п приводит к тому, что точка ламинарно-турбулентного перехода смещается вверх по течению (начало реламинаризации, рис.21,7), в некоторых случаях может наступить полная реламинаризация течения (рис.21,8). Затем, если еще повысить п, повторно происходит смещение точки ламинарно-турбулентного перехода к соплу (на линию обобщающей зависимости для макроструй (рис. 21, 9)) и далее (рис.21,10,11) реализуется турбулентный макросценарий.

Для струй четвертой группы (О < 10 мкм) сценарий изменения дальнобойности с ^ 7 о показан на рис. 22. Здесь следует

1 2 3

Рис. 22. Схема течения для струй второй группы (О < 10 мкм)

отметить, что для этих струи дальнобойность при начальных (малых) значениях нерасчетности струи (рис. 22, 1—3) не достигает уровня относительной дальнобойности макроструй, в то время как для струй второй и третьей групп (при и =1-4,05) увеличение дальнобойности начинается с этого уровня. При увеличении нерасчетности

(рис. 22, 4) величина дальнобойности достигает уровня для макроструй, а затем (рис. 22, 5-8) начинает превышать его. Каков будет дальнейший сценарий изменения дальнобойности, не ясно, т.к. данные для очень больших нерасчетностей (п > 30) отсутствуют.

Если построить числа Рейнольдса смены режима, начала частичной или полной реламинаризации струи от диаметра сопла, то получится диаграмма реализации в струе или режима большой дальнобойности (ламинарный слой смешения) или реализации в струе турбулентного макросценария развития дальнобойности.

Обобщенный график зависимости числа Рейнольдса смены режима от диаметра сопла показан на рис. 23. Красными и синими точками приведены числа Рейнольдса как полной смены режима течения (рис. 20,5-7), так и начала развития турбулентности в слое смешения (рис. 21, 5). Треугольными значками отмечены числа Рейнольдса, при которых происходит реламинаризация (либо частичная (рис. 21, 7), либо полная (рис.21, 8)). Зелеными четырехугольниками показаны числа Рейнольдса повторного смещения точки ламинарно-турбулентного перехода (рис.21, 9).

4000 3500 3000 2500 а; 2000 1500 1000 500 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

D, мки

Рис. 23. Числа Рейнольдса смены режима течения струй в зависимости от диаметра сопла

Условно диаграмму режимов истечения струи из микросопла можно разбить на четыре основные области. Первая область I (голубой цвет на рис. 23) соответствует дозвуковому истечению струи. Вторая область II (зеленый цвет на рис. 23) соответствует режиму большой дальнобойности и ламинарному слою смешения. Левая граница второй области ограничена достигнутыми в экспериментах числами

30

Рейнольдса. Третья область III (розовый цвет на рис. 23) соответствует режиму, характерному для турбулентных макроструй. В этой области нет отличий между макро- и микроструями. Четвертая область IV (желтый цвет на рис. 23) - область, в которой величина дальнобойности может уменьшаться вследствие ламинарно-турбулентного перехода, но не опускается до уровня дальнобойности макроструй, а все время его превышает. Четвертая область может быть разбита на две подобласти: область уменьшения дальнобойности и область последующего увеличения дальнобойности.

В разделе 4.9.2, в рамках предположения, что увеличению длины сверхзвукового участка может способствовать отсутствие влияния дискретного тона струи на слой смешения, представлены результаты эксперимента по определению влияния влажности окружающего пространства на развитие возмущений в слое смешения. Было показано, что при изменении влажности окружающего пространства не происходит ни изменения величины интегральных пульсаций, ни их смещения по нерасчетности. Это косвенным образом доказывает отсутствие влияния дискретного тона струи на слой смешения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе уникальной технологии создания микро- и нанотрубок разработаны и изготовлены новые датчики для аэродинамических экспериментов: миниатюрный датчик Пито и трубчатый датчик термоанемометра. Оба датчика могут быть использованы при исследовании дозвуковых и сверхзвуковых микроструйных течений газа.

2. В процессе исследования были установлены основные свойства трубчатых датчиков. Показано, что постоянная времени трубчатого датчика в 80 раз меньше постоянной времени проволочного аналога; длина трубчатого датчика может составлять 20-30 калибров, что в 5-7 раз меньше проволочного аналога; на дозвуковых скоростях потока трубчатый датчик применим при проведении акустических исследований и может использоваться без компенсации тепловой инерции; микротрубки, расположенные на поверхности, устойчивы как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях потока и могут использоваться как в качестве датчиков, так и в качестве генераторов тепловых возмущений.

3.На основе современного материала - полимера светового отверждения -разработана технология изготовления микросопел и микроканалов круглого сечения разнообразной формы с возможностью измерения статического давления в любой точке по длине микроканала.

4. Для всех исследуемых в работе прямолинейных микроканалов коэффициент гидравлического сопротивления совпадает с теоретическим значением. Установлено, что коэффициент сопротивления криволинейного участка [/-образного микроканала меньше справочного значения на 10 - 17% при Яе> 1500. Шероховатость входной кромки микроканала оказывает влияние как на коэффициент сопротивления входного участка микроканалов, который в 2—3 раза превысил справочные значения, так и на характер ламинарно-турбулентного перехода. Число Рейнольдса перехода составляло 2300-2600.

5. Впервые выполнено экспериментальное исследование газодинамической структуры сверхзвуковых осесимметричных микроструй и характеристик устойчивости дозвуковых двумерных струй, истекающих из звуковых сопел с характерным размером от 10 до 340 мкм.

6. Установлено, что в дозвуковой микроструе развитие естественных пульсаций проходит те же стадии, характерные для сдвиговых течений и пограничных слоев, а именно: усиление возмущений, их нелинейное взаимодействие и переход к турбулентности. Наличие субгармонического резонанса приводит к нелинейному взаимодействию волн уже в начальной части струи. Показано, что сочетание параметров ширины микросопла, скорости истечения газа, частоты и амплитуды звукового воздействия на струю может приводить к появлению не только двух вихревых дорожек, что наблюдается при макро- и министруях, но трех и более вихревых дорожек.

7. Впервые обнаружено значительное увеличение дальнобойности осесимметричных микроструй. Рост дальнобойности начинает проявляться у струй, истекающих из сопел диаметром менее 60 мкм. На основе выявленных отличий предложена классификация свободных микроструй азота по диаметру сопла, согласно которой под микроструей понимается струя, истекающая из сопла диаметром 60 и менее микрометров.

8. Впервые показано, что в сверхзвуковых микроструях (как осесимметричных, так и двумерных) возникают и развиваются продольные структуры типа вихрей Гертлера.

9. Установлено, что увеличение дальнобойности микроструи связано с ламинарным режимом течения в слое смешения. Смена режима большой дальнобойности струи на режим дальнобойности, характерный для макроструй, связана с ламинарно-турбулентным переходом в слое смешения струи.

10. Впервые обнаружено явление восстановления длины сверхзвукового участка осесимметричных сверхзвуковых микроструй после резкого его уменьшения в результате ламинарно-турбулентном перехода. Восстановление режима большой

дальнобойности связано с реламиниризацией (частичной или полной) слоя смешения струи.

11. Впервые показана возможность моделирования микроструй макроструями по числу Рейнольдса, вычисленного по диаметру сопла и параметрам течения на его выходе

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Патент РФ №2207576. Датчик термоанемометра / Шиплюк А.Н., Селезнев В.А., Анискин В.М. Опубл. 27.06.2003.

2. Aniskin V.M., Shiplyuk A.N., Maslov A.A., Prinz V.Ya., Seleznev V.A. Nano-Fabricated Hot-Tubes for Flow Measurements: AIAA Paper, 2005-1212.

3. Анискин B.M., Фомин B.M., Шиплюк A.H., Маслов A.A., Пай В.В., Принц В.Я., Селезнев В.А. Трубчатые датчики термоанемометров с высоким пространственным и временным разрешением // Доклады академии наук. 2006. Т. 407, № 1. С. 40-43.

4. Aniskin V.M., Maslov A.A., Shiplyuk A.N., Prinz V.Ya., Seleznev V.A. Gas flow control by means of micotubes // International Conference on the Methods of Acrophysical Research, abstr., Novosibirsk, 2007. P. 161-165.

5. Aniskin V.M., Maslov A.A., Shiplyuk A.N., Prinz V.Ya., Seleznev V.A. Micro hot-tubes: measurements and flow control // 1st European Conference on Microfluidics. Bologna, 2008: book of abstracts. Paris. SHF publ., 2008. P. 170.

6. Анискин B.M., Селезнев B.A., Принц В.Я., Маслов A.A., Генерация и регистрация возмущений в потоке газа. Часть 1. Формирование массивов микротрубчатых нагревателей и сенсоров // ПМТФ. 2009. Т. 50, № 2. С. 145-151.

7. Анискин В.М., Селезнев В.А., Принц В.Я., Шиплюк А.Н., Маслов A.A., Матвиенко P.C. Генерация и регистрация возмущений в потоке газа. Часть 2. Эксперименты с массивами микротрубчатых нагревателей и сенсоров // ПМТФ. 2009. Т. 50, №3. С. 112-117.

8. Анискин В.М., Адаменко К.В. Исследование динамики течения жидкости в микроканалах различного удлинения // Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий: тезисы докладов Всероссийского семинара. Новосибирск, 2009. С. 10.

9. Анискин В.М., Миронов С.Г. Структура сверхзвуковой плоской микроструи // Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий: тезисы докладов Всероссийского семинара. Новосибирск, 2010. С. 14.

10. Патент РФ №2384465. Способ управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата и устройство для его осуществления / Анискин В.М., Селезнев В.А., Шиплюк А.Н. Опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8.

11. Ансикин В.М., Фомин В.М., Маслов A.A., Миронов С.Г., Цырюльников И.С. Газодинамическая структура течения и развитие возмущений в микроструях // Доклады академии наук. 2010. Т. 433, № 5. С. 635-638.

12. Ансикин В.М., Адаменко К.В., Маслов А.А. Экспериментальное определение коэффициентов гидравлического сопротивления прямолинейного и криволинейного микроканалов // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Т. 5, вып. 3. С. 63-70.

13. Анискин В.М., Адаменко К.В. Экспериментальное определение коэффициента гидравлического сопротивления криволинейного микроканала // Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий: тезисы докладов Всероссийского семинара. Новосибирск, 2010. С. 13

14. Aniskin V.M., Maslov А.А., Mironov S.G., Tsirulnikov I.S., Bountin D.A. Experimental investigation of microjets receptivity to acoustic disturbances // 2nd European conference on Microfluidics. Toulouse, 2010: book of abstracts. Paris. SHF publ., 2010. P. 192.

15. Анискин B.M., Миронов С.Г., Цырюльников И.В. Экспериментальное исследование восприимчивости микроструй к акустическим возмущениям // Струйные, отрывные и нестационарные течения: сборник тезисов семинара с международным участием. Санкт-Петербург, 2010. С. 98.

16. Aniskin V.M., Maslov A.A., Adamenko K.V. Internal pressure measurements in a straight and curved microchannel // 2nd European conference on Microfluidics. Toulouse. 2010: Paris. SHF publ., 2010, book of abstract. P. 213.

17. Анискин B.M., Миронов С.Г. Экспериментальное исследование структуры сверхзвуковой осесимметричной микроструи // Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий: тезисы докладов Всероссийского семинара. Новосибирск, 2011. С. 22.

18. Анискин В.М., Адаменко К.В., Маслов А.А. Экспериментальное определение коэффициента гидравлического сопротивления микроканалов // ПМТФ. 2011. Т.52, №1. С. 24-30.

19. Ансикин В.М., Маслов А.А., Миронов С.Г. Влияние размера сопла на дальнобойность сверхзвуковой микроструи // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 22. С. 10-15.

20. Анискин В.М., Адаменко К.В., Измерение давления внутри прямолинейного и криволинейного микроканалов // Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики, Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4, Ч. 5. С. 1961-1962.

21. Aniskin V.M., Mironov S.G., Maslov А.А. The structure of supersonic underexpanded nitrogen microjets // 3rd Micro and Nano Flows Conference. Thessaloniki, Greece, 2011: proc. CD ROM. ISBN 978-1-902316-98-7.

22. Анискин B.M., Миронов С.Г., Маслов А.А. Развитие стационарных возмущений в недорасширенных осесимметричных и двумерных микроструях // Струйные, отрывные и нестационарные течения: сборник тезисов семинара с международным участием. Томск, 2012. С. 15-17.

23. Анискин В.М., Бунтин Д.А., Маслов А.А, Миронов С.Г., Цырюльников И.С. Исследование устойчивости дозвуковой газовой микроструи // ЖТФ. 2012. Т. 82, вып. 2. С. 17-23.

24. Aniskin V.M., Mironov S.G., Maslov A.A. The structure of supersonic two-dimensional and axisymmetric microjets // Int. J. Microscale and Nanoscale Thermal and Fluid Transport Phenomena. 2012. Vol. 3, № 1. P. 49-59.

25. Анискин B.M., Адаменко K.B., Маслов A.A. Измерение давления внутри микроканалов различной формы // Наносистемы: физика, химия, математика. 2012. Т. 3, № 2. С. 37-16.

26. Анискин В.М. Датчики на основе микротрубок: применение в газовой динамике, // Датчики и системы. 2012. №3. С. 13-18.

27. Анискин В.М., Миронов С.Г., Бунтин Д.А., Цирюльников И.С., Маслов A.A., Применение биспектралыюго анализа для исследования неустойчивости дозвуковых микроструй. // Струйные, отрывные и нестационарные течения: сборник тезисов семинара с международным участием. Томск. 2012. С. 11-14.

28. Aniskin V.M., Mironov S.G., Maslov A.A. The Experimental Investigation of Supersonic Core Length of Microjets // 3nd European Conference on Microfluidics. Heidelberg, Germany, 2012: book of abstracts. Paris. SHF publ., 2012. P. 188.

29. Aniskin V.M., Mironov S.G., Maslov A.A. Investigation of the structure of supersonic nitrogen microjets // Microfluidics and Nanofluidics. 2013. Vol. 14, Iss. 3. P. 605-614.

30. Анскин B.M., Миронов С.Г., Маслов A.A. Реламинаризация в сверхзвуковых микроструях при низких числах Рейнольдса // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 16. С. 47-54.

Ответственный за выпуск Анискин В.М.

Подписано к печати 17 июля 2013 г. Заказ №8 Формат 60x84 1/16. Усл. п. л 2.0. Уч.-изд. л. 1,6. Тираж 150 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Параллель» 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

01.02.05 - механика жидкости, газ и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

Анискин Владимир Михайлович

Научный консультант: д.ф.-м.н., профессор Маслов А.А.

Новосибирск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение_5

Глава 1 Микродатчики_9

1.1. Обзор литературы_9

1.2. Метод формирования микро- и нанотрубок_11

1.3. Миниатюрный датчик Пито на основе микротрубок_13

1.4. Изготовление трубчатого датчика термоанемометра_15

1.4.1. Би-металлические структуры_15

1.4.2. GaAs/InGaAs структуры_17

1.4.3. Кремниевые структуры_18

1.5. Изготовление чипов с распределенными массивами электропроводящих микротрубок_23

1.6. Характеристики трубчатых датчиков_28

1.6.1. Статические характеристики_28

1.6.2. Частотные характеристики_30

1.6.3. Температурные характеристики_32

1.7. Примеры использования трубчатых датчиков_35

1.7.1. Прототип трубчатого датчика термоанемометра

в дозвуковом потоке_35

1.7.2. Модельные поверхности в дозвуковом потоке_36

1.7.3. Измерения акустического излучения_41

1.7.4. Модельные поверхности в сверхзвуковом потоке_45

1.8. Выводы по гл. 1_48

Глава 2 Течение жидкости в микроканалах_50

2.1. Обзор литературы_50

2.2. Течение жидкости в трубах_55

2.2.1. Течение жидкости в прямых трубах_55

2.2.2. Течение жидкости в изогнутых трубах_55

2.2.3. Распределение давления жидкости в канале_56

2.2.4. Методы определения коэффициента гидравлического сопротивления микроканалов_5 7

2.3. Микроканалы_59

2.3.1. Технология изготовления и характеристики микроканалов_60

2.3.2. Стеклянные микроканалы_61

2.3.3. Полимерные микроканалы_63

2.3.4. Кремниевые микроканальные структуры с различными параметрами каналов_7 3

2.4. Экспериментальные стенды_78

2.5. Схемы экспериментов_81

2.6. Погрешности измерений_85

2.7. Результаты экспериментов_87

2.7.1. Расход жидкости через микроканалы_87

2.7.2. Распределение давления внутри микроканалов_88

2.7.3. Гидравлическое сопротивление микроканалов_92

2.7.4. Гидравлическое сопротивление входного участка микроканалов_96

2.7.5. Длина области развивающегося участка_97

2.8. Выводы по гл. 2_98

Глава 3. Дозвуковые микроструи_99

3.1. Обзор литературы_99

3.2. Исследование устойчивости дозвуковой двумерной микроструи_101

3.2.1. Методика проведения исследований_101

3.2.2. Результаты измерений_103

3.3. Выводы по гл. 3_113

Глава 4. Сверхзвуковые микроструи_114

4.1. Обзор литературы_114

4.2. Технология изготовления микросопел_115

4.3. Схема, методика, сложности и особенности проведения экспериментов_119

4.3.1. Сверхзвуковые м икроструи_119

4.3.1.1. Определение относительной дальнобойности микроструй_122

4.3.1.2. Визуализация течения микроструй_123

4.3.2. Моделирование микроструй_124

4.4. Сверхзвуковые микроструи_125

4.4.1. Условия проведения экспериментов_125

4.4.2. Продольное распределение Ро'_126

4.4.3. Измерение Ро' при фиксированном расстоянии от среза сопла_128

4.4.4. Поперечное распределение Ро'_130

4.4.5. Средний размер бочек_132

4.4.6. Относительная дальнобойность микроструй_135

4.4.7. Число Рейнольдса смены режима течения микроструй_137

4.4.8. Влияние шероховатости кромки сопла на дальнобойность микроструи 138

4.4.9. Развитие стационарных возмущений_141

4.5. Визуализация течения микроструй_145

4.6. Моделирование микроструй макроскопическими струями_149

4.6.1. Условия проведения экспериментов_149

4.6.2. Средний размер бочек модельных струй_150

4.6.3. Относительная дальнобойность модельных струй_151

4.6.4. Число Рейнольдса смены режима течения модельных струй_152

4.7. Расчет микроструй_153

4.7.1. Численное моделирование стационарного истечения микроструй_153

4.7.2. Результаты численного моделирования_155

4.7.2.1. Структура сверхзвуковой микроструи_155

4.7.2.2. Осевое распределение полного давления и числа Маха_156

4.7.2.3. Средний размер бочек струи_160

4.7.2.4. Сравнение относительной дальнобойности численно смоделированных микроструй с модельными и реальными микроструями_162

4.8. Влияние диаметра трубки Пито на измерения Pq_163

4.9. Термоанемометрические измерения в микроструях_172

4.9.1. Измерения интегральных пульсаций на оси микроструи_172

4.9.2. Влияние влажности окружающего пространства на ламинарно-турбулентный переход в струе_183

4.10. Выводы по гл. 4_185

Заключение_186

Литература_

Список основных публикаций по диссертационной работе

197

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия технология изготовления миниатюрных устройств сделала революционный шаг вперед.

Развитие технологии идет в сторону миниатюризации и главным образом в трех направлениях:

- уменьшение размеров устройства при сохранении хотя бы одной функции;

- увеличение количества функций устройства при сохранении размеров;

- создание принципиально новых устройств.

Движущей силой в плане миниатюризации устройств является главным образом микроэлектроника. Развитые технологии микроэлектроники нашли применение для создания микро- и наноэлектромеханических систем и позволяют реализовывать принцип массовости.

С одной стороны, микроэлектроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, с другой - снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Микротехнологии и современные материалы открывают перед разработчиками новые возможности, новые направления исследования. В области гидрогазодинамики сформировавшимся новым направлением является микрофлюидика - исследование течения жидкости и газа на микромасштабах. В частности, в биологии миниатюризация размеров экспериментальных устройств открывает переход к качественно новым высокопроизводительным методам решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач молекулярной и клеточной биологии, биотехнологии и биомедицины. Манипулирование в микрожидкостных системах пиколитрами жидкостей позволяет на порядок снизить количество анализируемых биологических объектов: макромолекул, клеток, биологически активных веществ.

На современном этапе развития микроэлектронной технологии существует возможность создавать чипы с миллионами транзисторов на 1 мм2. Воздушное охлаждение уже не может эффективно справляться с перегревом. В связи с чем возникает задача повышения эффективности теплоотвода от чипа. И здесь микрожидкостные устройства также находят применение.

При проектировании и создании микрожидкостных устройств различного напрвления необходимо прежде всего знать законы течения жидкости и газа на микро- и наноуровнях. Касается это главным образом гидравлического сопротивления микро- и наноканалов, а также теплообмена в микроканалах. Остается ли коэффициент гидравлического сопротивления микроканалов таким же, как и для каналов макроразмера или он изменяется?

С какого размера микроканала начнет изменяться коэффициент гидравлического сопротивления и почему? Изменится ли коэффициент теплоотдачи в микроканалах за счет изменения соотношения поверхностных и объемных сил? В чем проявляются отличия и особенности микротечений от макротечений? Эти вопросы и многие другие изучаются при исследовании микротечений.

Высокочувствительные и быстродействующие приборы, регистрирующие скорость потока, пульсации скорости, давление газа или жидкости, необходимы для современной аэродинамики, химии, биологии и медицины.

На основе развитых полупроводниковых технологий сейчас в мире разрабатываются макеты микроприборов и микроинструментов: микролаборатории на чипе, кремниевые микроиглы для введения микроколичеств различных жидкостей в ткани нервной системы [1], микроскальпели, позволяющие удалять отдельные клетки [2], сверхчувствительные датчики скорости потоков [3].

В экспериментальной газовой динамике широкое применение получили датчики, основанные на законах теплообмена между нагретым телом и газом. Чувствительным элементом таких датчиков является металлическая проволока диаметром 2-10 мкм и длиной 100 - 2000 мкм или проводящая пленка, которые нагреваются электрическим током (рис. 1). Датчики приведенных конструкций вносят малые возмущения в поток, и ими возможны локальные измерения скорости в любой доступной его точке.

Рис. 1. Конструкции стандартных датчиков термоанемометров

Однако непреодолимой негативной особенностью приведенных традиционных датчиков является их низкое быстродействие, постоянная времени находится в диапазоне от 0,2 до 1 мс и ограничивается в случае проволочных датчиков теплоемкостью чувствительного элемента, а в случае пленочных - теплообменом с подложкой [3, 4, 5, 6, 7]. В результате чувствительность традиционных датчиков термоанемометров становится недостаточной для регистрации высокочастотных пульсаций, характерных для

а

б

100 XI

высокоскоростных течений, в том числе сверхзвуковых микроструй. Применение систем компенсации тепловой инерции проволочного датчика термоанемометра позволяет увеличить частотный диапазон измерения пульсаций до 500 кГц, что было продемонстрировано в сверхзвуковых слоистых пограничных слоях [8, 9, 10, 11].

Расширения частотного диапазона термоанемометрических датчиков можно достичь, за счет уменьшения тепловой инерционности датчика, заменив проволоку тонкостенной проводящей трубкой. Трубчатый чувствительный элемент того же диаметра, как и проволока, имеет существенно меньшую массу, что дает возможность расширить частотный диапазон измеряемых пульсаций потока более чем в 10 раз по сравнению с проволочным аналогом.

В области микрожидкостных исследований основными вопросами являются коэффициенты гидравлического сопротивления и теплоотдачи в микро- и наноканалах. Изменение соотношения поверхностных и объемных сил на микро- и наноуровнях может приводить к изменению свойств поведения жидкости и газа, которые необходимо знать при проектировании микро- и наножидкостных устройств.

В настоящее время наиболее интенсивно развиваются численные методы исследования микротечений, результаты которых в свою очередь требуют экспериментального подтверждения, поскольку используемые при моделировании основные уравнения построены на эмпирических законах макромасштабов.

В последнее десятилетие проявился значительный интерес к наножидкостям. Под наножидкостью понимается базовая жидкость, обогащенная наночастицами металлов, их оксидов или других материалов. Интерес к наножидкостям обусловлен тем, что добавление наночастиц в базовую жидкость в значительной степени увеличивает ее теплопроводность. С учетом этого имеет хорошие перспективы использование метода интенсификации теполотдачи за счет применения стабильных наножидкостей с высокой теплопроводностью. Однако, каков физический механизм теплопроводности в наножидкости, является ли он единственным или одновременно действуют несколько, что происходит при изменении параметров наножидкости - ее состава, свойств наночастиц, свойств базовой жидкости и т.д., - ответы на эти вопросы остаются открытыми.

Существует большое количество публикаций, посвященных изучению свойств наножидкостей. Подробный анализ современного состояния проблемы синтеза и свойств наножидкотей, а также механизма теплопереноса в наножидкостях приведен в обзорной работе [12, 13].

Еще одним объектом интереса и исследований в области микротечений являются микроструи жидкости и газа. Струи жидкости в виде отдельны микрокапель используются в струйной печати, а также в микроструйных системах для подкожных инъекций.

В настоящее время газовые микроструи нашли применение в современных технологических процессах, авиации и космонавтике [14]. Технологическим применением микроструй являются смешение газов и защита поверхностей от воздействия химически агрессивной или высокотемпературной среды. Основными технологическими характеристиками струй в этом случае становится их проникающая способность и интенсивность процессов смешения. В авиации нашли применение сверхзвуковые микроструи для подавления шума струй реактивных двигателей [15, 16, 17] и в усилительных элементах устройств пневмоники [18]. Имеются сведения о попытках использования синтетических (с нулевым интегральным расходом) микроструй для подавления пульсаций в ламинарных и турбулентных потоках. Сверхзвуковые микроструи имеют перспективу применения в авиакосмической области для защиты поверхностей, обтекаемых высокотемпературным потоком, и подавления плазменных образований вокруг высокоскоростных летательных аппаратов и спускаемых космических аппаратов [19, 20]. Сверхзвуковые микроструи нашли также применение в реактивных системах ориентации спутников с массой менее 10 кг, так называемых микроспутников [21, 22]. Основным преимуществом микроструй является возможность их размещения на поверхности с высокой плотностью при ограниченном расходе газа. При этом длина сверхзвукового участка или дальнобойность играет решающую роль в оценке эффективности струйного воздействия на поток.

Практические потребности предопределили научный интерес к исследованию дозвуковых и сверхзвуковых микроструй. Основным фундаментальным результатом, который ожидается получить из этих исследований, являются ответы на вопросы:

— имеются ли фундаментальные отличия в характеристиках макроскопических и микроскопических струй;

— возможно ли моделирование характеристик микроструй с помощью параметров подобия, применяемых для моделирования макроскопических течений, а именно чисел Маха, Рейнольдса, Струхаля и т.п.

Появление нового направления исследований в области гидрогазодинамики -микротечений (микрофлюидика), требует разработки новых методов исследований, новых датчиков и актюаторов.

ГЛАВА 1. МИКРОДАТЧИКИ

1.1. Обзор литературы

В таких областях человеческой деятельности, как аэродинамика, химия, биология и медицина, остро необходимы сверхчувствительные и сверхбыстродействующие датчики, регистрирующие скорость потока газа или жидкости и их характеристики.

Коммерчески доступными являются только инерционные проволочные и пленочные датчики термоанемометров. В мире идет активный поиск методов массового изготовления термоанемометрических датчиков с использованием технологии интегральных схем. Предпринимаются попытки повысить чувствительность и быстродействие датчиков, изменяя их форму, а именно, изготавливая датчики в виде подвешенных мостиков и мембран [2-5].

Поэтому важным моментом при разработке конструкции датчиков термоанемометров является решение проблемы выноса чувствительного элемента за пределы чипа. Если чувствительный элемент расположен в плоскости подложки, то измерения можно проводить только в пограничном слое на исследуемой поверхности.

Попытки решения данной проблемы были предприняты на базе использования методов планарной технологии [23, 24]. Дальнейшим шагом было успешное объединение данного типа сенсора со схемой управления [25] и проведение измерений характеристик потока с использованием массива сенсоров, интегрированных со схемой управления [26]. Использование планарных технологий позволило изготовить компланарные сенсоры [27, 28], позволяющие проводить измерение потока в трех направлениях. С этой целью формировались две нити из поликремния в плоскости подложки, а третья поднималась перпендикулярно (подъем осуществлялся методом, основанным на усадке отжигом полиимида, заполняющегоУ-образные канавки).

К недостаткам известных технических решений относятся: во-первых, низкая механическая прочность изготовленных изделий, во-вторых, недостаточно высокая точность измерения скорости потока. Приведенные недостатки обусловлены конструктивными особенностями изготовления чувствительного элемента в виде проволоки, представляющей тонкослойную полоску. Такой элемент не обладает достаточной механической прочностью. Кроме того, из-за четырехугольной формы поперечного сечения проволоки существует зависимость выходного напряжения от угла обдува проволоки.

Используя в датчиках в качестве чувствительных элементов микротрубки, можно значительно уменьшить инерционность, сохраняя механическую прочность и точность измерений, что позволит использовать их, в первую очередь, в качестве активных элементов

измерительных систем в аэродинамических исследованиях и для решения задач сверхзвуковой термодинамики, а также при измерении скоростей потоков и состава газовых и жидких сред в химии, биологии и медицине.

Важной практической задачей в области газо- и гидродинамики является задача управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата. Различают пассивные и активные методы управления. В пассивных методах производится изменение структуры среднего течения, повыш