19/09/2016 ИТ СО РАН

Как рождаются новые научные подходы

580 ИТ СО РАН ИТПМ СО РАН СО РАН ИГиЛ СО РАН Инновации Аналитика Физика Новосибирск ​В конце 1980-х годов директор Института теплофизики СО РАН академик Владимир Накоряков организовал три молодежные лаборатории, завлабами в которых стали свежеиспеченные кандидаты наук в возрасте до 32 лет. В нынешнем году одному из них — доктору физико-математических наук, профессору Олегу ­Кабову — исполнилось шестьдесят, но возглавляемая им лаборатория интенсификации процессов теплообмена не перестает быть молодежной, если не по букве, то по духу.

— Мы смотрим в будущее, ставим новые задачи, беремся за нерешенные проблемы, и, надо сказать, тематика исследований нам в этом способствует, — рассказывает Олег Александрович. — В последние два десятка лет баланс изучения теплообменных систем меняется в пользу высоконапряженных (компактная система нагревается сильнее) энергетических систем нового поколения с микроканалами и наноструктурированными поверхностями. Идет глобальная миниатюризация, и такие устройства оказываются востребованными целым рядом различных индустрий — энергетической, ракетно-космической, авиационной, транспортной, медицинской, химико-технологической, информационной.

К 2030 году ожидается подключение к Интернету свыше 200 миллиардов мини-систем — от компьютеров, мобильных телефонов до устройств диагностики. Безусловно, Россия не сможет сделать технологический прорыв, не изучая энергетические мини- и микросистемы. Недаром наша лаборатория работает по четырем критическим технологиям РФ. Энергетические системы нового поколения очень интересны для изучения. Раньше мы имели дело в основном с макросистемами — от автомобилей и самолетов до океанских лайнеров. Сегодняшние мини- и микросистемы являются в каком-то смысле более интеллектуальными — компактные системы отличаются энергоемкостью, миниатюризация требует применения новых технологий и разработки новых моделей. С другой стороны, энергетические мини- и микросистемы экономичны, в них можно успешно применять нано- и микрообъекты — исследователи контактируют с миром, который начинается от нанометра и заканчивается несколькими миллиметрами, то есть линейные масштабы изменяются на 6 порядков.

Стоит отметить, что лаборатория Кабова оказалась подготовленной к переходу на новый уровень проблем. Основатель Института теплофизики академик Самсон Кутателадзе, в лаборатории которого и работал Олег Кабов, придавал большое значение изучению высоконапряженных систем с кипением и конденсацией. Уже в молодежной лаборатории были достигнуты не имеющие аналогов в мире результаты по охлаждению микроэлектронного оборудования. В области двухфазных систем с высоким тепловыделением мы предложили новый способ охлаждения микроэлектронного оборудования: научились создавать очень тонкие пленки жидкости в микроканалах и двигать их с достаточно большими скоростями, используя потоки инертного газа, — поясняет заведующий лабораторией.

— В настоящее время с помощью таких систем мы можем отводить 1 кВт от 1 см2. Это рекордный показатель, он на порядок выше, чем в рутинных теплообменных аппаратах. Метод был предложен впервые в мире, оценен и принят мировым сообществом. Хочу подчеркнуть, что проблемой отвода сверхвысоких тепловых потоков в мини-системах с небольшим перепадом температур серьезно занимаются ученые всего нескольких стран — России, США, Японии. Кстати, своими исследованиями мы дополнили классическую гидродинамику: ранее считалось, что использованный нами расслоенный режим течения (тонкий слой жидкости движется по одной стороне канала, газ — по другой) невозможен в каналах с размером менее 1,5 миллиметра. Но, как выяснилось, никто не исследовал плоские каналы, и, если сделать структурированный вход газа и жидкости в плоский микроканал, течение окажется устойчивым — сейчас мы такое течение получаем даже для каналов высотой 50-100 микрон. 

Из 15 экспериментальных стендов лаборатории, разработанных самими сотрудниками, на четырех проводятся исследования в мини- и микроканалах. На помощь приходит сотрудничество с коллегами из других институтов: так, вместе с Владимиром Анискиным из Института теоретической и прикладной механики СО РАН была разработана уникальная микротермопара (прибор для точного измерения температур в жидких и газообразных средах). Параллельно ученые создают новые методики измерения.

Второе направление исследований лаборатории — конденсация пара в энергетических системах (в системах охлаждения применяется связанная с этим технология). Цикл исследований по конденсации пара в мини-каналах завершился созданием уникального конденсатора-сепаратора, который будет использован на Международной космической станции в специальном эксперименте “CIMEX”.

— Разработка такого аппарата — предмет нашего тесного сотрудничества с Центром микрогравитации Свободного университета Брюсселя, — поясняет Олег Александрович. — В 2000 году, когда выяснилось, что силами европейских исследователей проблему разработки подобного устройства быстро решить нельзя, нас пригласил директор этого центра профессор Жан-Клод Легро.

Наш конденсатор-сепаратор был протестирован в параболическом полете, в условиях, максимально приближенных к космическим. В сотрудничестве с Европейским космическим агентством, Российским космическим агентством и космическими агентствами других стран мы проводим исследования 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 специально переоборудованном самолете А-300. Самолет разгоняется и совершает параболический маневр “горку”. На самом верху параболы на 22 секунды можно смоделировать космические условия микрогравитации. Например, мы выполнили несколько параболических полетов, исследуя воздействие ускорения свободного падения на каплю жидкости, а также провели исследования на центрифуге — в результате ускорение свободного падения удалось изменить в 6000 (!) раз.

Сегодня по этому направлению мы участвуем в подготовке 10 экспериментов, которые будут проходить в условиях микрогравитации: семь экспериментов на МКС в сотрудничестве с Европейским космическим агентством, один эксперимент — в сотрудничестве с Японским космическим агентством, один — во время полета российского спутника “Фотон” и один — на исследовательской ракете Европейского космического агентства.Совместная работа сделала необходимым проведение с 2006 года международной конференции “Двухфазные системы для космического и наземного применения”. Институт теплофизики стал ее соорганизатором. В 2017 году конференция пройдет в России. Кроме того, сотрудники лаборатории вошли в редколлегию международного журнала “Microgravity science and technology”, а три года назад меня пригласили стать главным редактором нового международного журнала “Interfacial Phenomena and Heat Transfer”. В 2016-м стартовала одноименная ежегодная международная конференция в Новосибирске.

Еще одно направление, в котором достигнуты значительные фундаментальные результаты, — гидродинамика и теплообмен в стекающих пленках. Буквально в первые годы работы лаборатории новосибирские ученые обнаружили новое явление в физике жидкостей. Так, если пленка жидкости нагревается от локального источника тепла, который расположен поперек пленки, то при достаточно больших тепловых потоках термокапиллярные силы начинают противодействовать гравитационным, что вызывает существенную деформацию пленки и приводит к формированию валика жидкости. В определенный момент валик теряет устойчивость, и на строго одинаковом расстоянии начинают стекать струи жидкости, а между струями продолжает оставаться тонкая пленка. Таким образом, в результате совместных действий термокапиллярных сил и гравитации образуется самоорганизованное течение.

Это явление заинтересовало российских и зарубежных ученых. В начале 1990-х годов его изучение было положено в основу совместного проекта Института теплофизики и Института гидродинамики СО РАН. Руководил проектом член-корреспондент РАН Владислав Пухначев из Института гидродинамики, а финансирование, достаточное для работы нескольких научных групп, выделило НАСА.

— Надо сказать, что наши первые публикации по этому направлению имели более 100 ссылок каждая, — не скрывает гордости профессор Кабов. — Изучаем мы и проблему разрыва пленок жидкости — до сих пор не существует математических моделей, которые могли бы точно предсказать, в каких условиях и в каком месте будут разрушаться пленки. Мы обнаружили ряд закономерностей, причем одну — совсем недавно. 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 возникает ранее неизвестное явление — мы назвали его “образованием остаточного слоя”. На поверхности всего нагревательного элемента образуется гладкая тонкая пленка жидкости, которая существует несколько секунд и только потом начинает разрываться.

Можно без всякого преувеличения сказать, что Институт теплофизики СО РАН — мировой лидер в исследовании пленочных процессов, потому что этой тематике в нем всегда придавалось особое значение. Поддерживает ее и нынешний директор института — член-корреспондент РАН Сергей Алексеенко.

Следующее направление исследований Олега Кабова и его коллег связано с тепломассообменом в области межфазной поверхности и линии контакта трех фаз “газ — жидкость — твердое тело”.

— У нас есть собственная четкая концепция, что интенсифицировать тепломассообмен в высоконапряженных двухфазных мини- и микросистемах можно, используя процессы в области линии контакта жидкости, газа и твердого тела, — комментирует Кабов. — Ключевой момент — наличие перепадов температур на границе жидкого и газообразного вещества. В современных моделях, используемых для расчета промышленных аппаратов, возможные скачки температуры, как правило, не учитываются. Такие перепады уже зафиксированы экспериментально в нашей лаборатории при атмосферном давлении, пока их величина не слишком значительна, но мы предполагаем, что при очень высоких тепловых потоках эти скачки температуры могут составлять несколько градусов. Нужно структурировать поток таким образом, чтобы контактные линии имели максимальную протяженность.

Один из самых свежих результатов — мы наглядно показали высокую интенсивность испарения в области линии контакта трех фаз (газ — жидкость — твердое тело). Ученым долгое время не удавалось этого сделать, так как трудно 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 сформированного на нагревателе. Капли буквально запрыгали и заплясали в области линии контакта “газ — жидкость — твердое тело”, что дало возможность оценить их ускорение и доказать существование в этом месте аномально высокой интенсивности испарения. Техническое устройство на основе нашей концепции поможет усовершенствовать тепловые трубы, которых, например, в космическом корабле может быть более 300.

…Как вы уже поняли, сотрудничество — ключевое слово в этой статье. У Кабова и его коллег есть совместные публикации с 20 международными лабораториями. По мнению Олега Александровича, такие контакты — один из главных методов повышения производительности труда в науке. Он считает, что проектов по стимулированию сотрудничества отдельных научных коллективов и отдельных ученых в России не хватает. Между тем объединение приборного и кадрового потенциала различных лабораторий, развитие сетевой формы организации науки — важнейший резерв для повышения эффективности научных исследований. Подготовила Ольга КОЛЕСОВА