Международная группа учёных выяснила, как кипит жидкость в космосе. В невесомости пузырьки, образующиеся на нагревателе, растут долго (более 9 секунд) и достигают нескольких сантиметров в диаметре, но не всплывают. На Земле пузырьки отделяются от стенок и всплывают. Ранее механизмы кипения в невесомости были плохо изучены, поэтому в космосе не применяли самые эффективные двухфазные системы отвода тепла, где основную работу выполняет переход жидкости в пар. Новые данные и разработанная аналитическая модель помогут создавать современные системы охлаждения на МКС и других станциях. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журналах Physics of Fluids и Applied Thermal Engineering.
Учёные изучают кипение жидкости в невесомости для улучшения систем охлаждения на МКС На космических аппаратах используют однофазные системы охлаждения. Жидкость (как правило вода, аммиак или этиленгликоль) циркулирует по трубкам и забирает тепло за счёт своей теплоёмкости. На Земле применяют двухфазные системы, где жидкость испаряется и затем конденсируется, что даёт большую эффективность. Чтобы внедрить такие системы на МКС, нужно понимать, как кипит жидкость в невесомости.
Учёные из Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе и Новосибирского государственного университета провели эксперимент и создали численную модель. Сначала они изучили рост пузырей при температуре насыщения, затем добавили случаи с недогревом, когда температура жидкости ниже температуры кипения на несколько градусов.
Эксперимент провели на МКС. Перфторгексан нагревали снизу в закрытом контейнере с высокоскоростными камерами и датчиками. Жидкость заранее дегазировали, чтобы точнее исследовать процесс. Температура кипения перфторгексана около 56°С. В невесомости пузырьки не поднимаются, а растут на нагревателе и не отрываются. Под ними образуются «сухие пятна», где не отводится тепло, что создаёт риск перегрева электроники.
Учёные посчитали, где и насколько интенсивно отводится тепло. Максимальная теплоотдача оказалась там, где пузырёк касается стенки. Зоны испарения разбили на несколько областей, определили их размеры и оценили эффективность теплоотвода. Самая маленькая зона — линия контакта со стенкой — отводит больше всего тепла.
При недогреве пузырёк не конденсировался в более холодной жидкости, а его размер оказался больше, чем предсказывала численная модель. Причина — около 1% растворённых газов, которые не конденсируются. Модель учёные модифицировали с учётом этих газов. Она показала роль термокапиллярной конвекции — движения жидкости из‑за разницы поверхностного натяжения, которое возникает при разной температуре. Это движение усиливает теплообмен и заставляет пузырёк сохраняться даже в более холодной жидкости.
Руководитель проекта, кандидат физико‑математических наук, старший научный сотрудник лаборатории энергоэффективных технологий для наземных и космических применений Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе Фёдор Роньшин рассказал, что в будущем группа планирует изучать большие тепловые потоки и недогрев жидкостей, а также влияние неконденсирующихся газов. Сейчас нет моделей, описывающих эти явления. Их создание позволит прогнозировать эффективность систем охлаждения и рассчитывать, сколько тепла они могут отвести. Учёные также изучат изменение контактного угла пузырька при кипении, что важно для проектирования охлаждающих систем.
Кроме российских специалистов, в исследовании также участвовали учёные из Брюссельского свободного университета (Бельгия), Университета Экс‑Марсель (Франция) и Тулузского института механики жидкости (Франция).
Источник: habr.com