Том 337 № 1 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/1/5462
Термическое и вторичное распыление капель воды на поверхностях теплообмена
Актуальность. В системах спрейного охлаждения современных энергонасыщенных устройств (процессоров, элементов силовой электроники) шероховатость и смачиваемость поверхностей теплообмена влияют на реализацию гидродинамических режимов испарения капель, включая осаждение, отскок, термическое и вторичное распыление, состояние Лейденфроста, а значит, и предельную тепловую нагрузку, которую может отвести система. В связи с ростом плотности тепловыделения современных устройств широко применяемые на практике подходы к охлаждению достигают приделов. Наиболее перспективным направлением повышения эффективности отвода теплоты является разработка поверхностей теплообмена нового поколения, в том числе обработанных жидкостью (LIS – liquid-infused surfaces). Анализ изменения температуры в приповерхностном слое на поверхностях из алюминиево-магниевого сплава (полированной и двух типах LIS-поверхностей) не только подтвердил фундаментальное влияние смачиваемости на теплосъем, но и выявил качественные различия в механизмах диспергирования «родительской» капли («термическое» и «вторичное распыление») в зависимости от типа поверхности. Цель. Оценка эффективности охлаждения поверхностей теплообмена, обработанных жидкостью, при испарении на них одиночной капли воды в различных гидродинамических режимах, а также определение эффективности охлаждения при реализации «термического» и «вторичного распыления» капель воды на поверхностях теплообмена. Методы. Эффективность процесса охлаждения оценивалась на основании анализа изменения температуры в приповерхностном слое поверхностей теплообмена при взаимодействии капли воды с нагретой поверхностью. Эксперименты проводились с одиночной каплей воды объёмом 10 мкл в широком диапазоне температур поверхностей теплообмена (100–280 °C). Результаты и выводы. Проведена количественная оценка эффективности охлаждения поверхностей LIS в сравнении с полированными поверхностями. Установлены различия в механизмах диспергирования капли воды, обусловленные реализацией режимов «термического» и «вторичного распыления». Показано, что, несмотря на более позднее наступление состояния Лейденфроста на поверхностях LIS по сравнению с полированными, данные поверхности характеризуются наименьшей эффективностью охлаждения среди исследованных. При повышенных температурах эффективность охлаждения LIS дополнительно снижается вследствие истощения слоя предварительно нанесенной жидкости, что приводит к ухудшению теплоотвода и ограничивает практическое применение таких поверхностей в капельных системах охлаждения, особенно в условиях длительных или повторяющихся тепловых нагрузок.
Ключевые слова:
поверхность нагрева, термическое распыление, вторичное распыление, паффинг, испарение, лазерная модификация
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ/REFERENCES
1. Wong T.S., Kang S.H., Tang S.K.Y., Smythe E.J., Hatton B.D., Grinthal A., Aizenberg J. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature, 2011, vol. 477(7365), pp. 443–447. DOI: 10.1038/nature10447.
2. Lafuma A., Quéré D. Slippery pre-suffused surfaces. Europhysics Letters, 2011, vol. 96, no. 5, Art. 56001. DOI: 10.1209/0295-5075/96/56001.
3. Peppou-Chapman S., Hong J.K., Waterhouse A., Neto C. Life and death of liquid-infused surfaces: a review on the choice, analysis and fate of the infused liquid layer. Chemical Society Reviews, 2020, vol. 49, no. 11, pp. 3688–3715. DOI: 10.1039/D0CS00036A.
4. He Z., Mu L., Wang N., Su J., Wang Z., Luo M., Zhang C., Li G., Lan X. Design, fabrication, and applications of bioinspired slippery surfaces. Advances in Colloid and Interface Science, 2023, vol. 318, Art. 102948. DOI: 10.1016/J.CIS.2023.102948.
5. Tripathi D., Ray P., Singh A.V., Kishore V., Singh S.L. Durability of slippery liquid-infused surfaces: Challenges and advances. Coatings, 2023, vol. 13, no. 6, Art. 1095. 10.3390/COATINGS13061095.
6. Gresham I.J., Neto C. Advances and challenges in slippery covalently-attached liquid surfaces. Advances in Colloid and Interface Science, 2023, vol. 315, p. 102906. DOI: 10.1016/J.CIS.2023.102906.
7. Feoktistov D. V., Glushkov D.O., Nigay A.G., Nikitin D.S., Orlova E.G., Shanenkov I.I. The effect of ceramic surface structure modification method on the ignition and combustion behavior of non-metallized and metallized gel fuel particles exposed to conductive heating. Fuel, 2022, vol. 330, p. 125576. DOI: 10.1016/J.FUEL.2022.125576.
8. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M., Emelyanenko K.A. Effect of water adsorption on lubricating film stability in slippery coatings. Langmuir, 2024, vol. 40, no. 3, pp. 1633–1645. DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c02524.
9. Kolle S., Davitt A., Zhou Y., Aizenberg J., Adera S. Synergistic Benefits of Micro/Nanostructured Oil-Impregnated Surfaces in Reducing Fouling while Enhancing Heat Transfer. Langmuir, 2023, vol. 39, no. 19, pp. 6705–6712. DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00148.
10. Charpentier T.V.J., Neville A., Baudin S., Smith M.J., Euvrard M., Bell A., Wang C., Barker R. Liquid infused porous surfaces for mineral fouling mitigation. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, vol. 444, pp. 81–86. DOI: 10.1016/j.jcis.2014.12.043.
11. Xiao R., Miljkovic N., Enright R., Wang E.N. Immersion condensation on oil-infused heterogeneous surfaces for enhanced heat transfer. Scientific Reports, 2013, vol. 3, no. 1, Art. 1988. DOI: 10.1038/srep01988.
12. Anand S., Paxson A.T., Dhiman R., Smith J.D., Varanasi K.K. Enhanced condensation on lubricant-impregnated nanotextured surfaces. ACS Nano, 2012, vol. 6, no. 11, pp. 10122–10129. DOI: DOI: 10.1021/nn303867y.
13. Sett S., Yan X., Barac G., Bolton L.W., Miljkovic N. Lubricant-infused surfaces for low-surface-tension fluids: Promise versus reality. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, vol. 9, no. 41, pp. 36400–36308. DOI: 10.1021/acsami.7b10756.
14. Weisensee P.B., Wang Y., Qiang H., Schultz D., King W.P., Miljkovic N. Condensate droplet size distribution on lubricant-infused surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 109, pp. 187–199. DOI: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2017.01.119.
15. Feoktistov D.V., Kuznetsov G.V., Abedtazehabadi A., Orlova E.G., Bondarchuk S.P., Dorozhkin A.V. Increasing the energy efficiency of cooling systems for energy-saturated equipment by shifting the second kind heat transfer crisis to the higher temperature region (Povyshenie energoeffektivnosti sistem okhlozhdeniya energonasyshchennogo oborudovaniya putem smeshcheniya krizisa teploobmena vtorogo roda v oblast bolee vysokikh temperatur). Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, 2023, vol. 334, no. 4, pp. 72–88. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/4/4097.
16. Guildenbecher D.R., López-Rivera C., Sojka P.E. Secondary atomization. Experiments in Fluids, 2009, vol. 46, no. 3, pp. 371–402. DOI: 10.1007/s00348-008-0593-2.
17. Feoktistov D.V., Orlova E.G., Glushkov D.O., Abedtazehabadi A., Belyaev S.V. Conditions for and characteristics of the dispersion of gel fuel droplets during ignition. Applied Sciences, 2023, vol. 13, no. 2, p. 1072. DOI: 10.3390/app13021072.
18. Pilch M., Erdman C.A. Use of breakup time data and velocity history data to predict the maximum size of stable fragments for acceleration-induced breakup of a liquid drop. International Journal of Multiphase Flow, 1987, vol. 13, no. 6, pp. 741–757. DOI: 10.1016/0301-9322(87)90063-2.
19. Roisman I.V., Breitenbach J., Tropea C. Thermal atomisation of a liquid drop after impact onto a hot substrate. Journal of Fluid Mechanics, 2018, vol. 842, pp. 87–101. DOI: 10.1017/JFM.2018.123.
20. Tran T., Staat H.J.J., Susarrey-Arce A., Foertsch T.C., Van Houselt A., Gardeniers H.J.G.E., Prosperetti A., Lohse D., Sun C. Droplet impact on superheated micro-structured surfaces. Soft Matter, 2013, vol. 9, no. 12, pp. 3272–3282. DOI: 10.1039/C3SM27643K.
21. Bertola V. An impact regime map for water drops impacting on heated surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, vol. 85, pp. 430–437. DOI: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2015.01.084.
22. Clavijo C.E., Crockett J., Maynes D. Hydrodynamics of droplet impingement on hot surfaces of varying wettability. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 108, pp. 1714–1726. DOI: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2016.12.076.
23. Moita A.S., Moreira A.L.N. Drop impacts onto cold and heated rigid surfaces: Morphological comparisons, disintegration limits and secondary atomization. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007, vol. 28, no. 4, pp. 735–752. DOI: 10.1016/J.IJHEATFLUIDFLOW.2006.10.004.
24. Feoktistov D.V., Abedtazehabadi A., Dorozhkin A.V., Laga E.Y., Pleshko A.O., Orlova E.G. Biphilic heat exchange surfaces for drip irrigation cooling systems. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2024, vol. 224, Art. 125316. DOI: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2024.125316.
25. Ponomarev K.O., Orlova E.G., Feoktistov D.V. Effect of the heat flux density on the evaporation rate of a distilled water drop. EPJ Web of Conferences, 2016, vol. 110.
26. Feoktistov D.V., Orlova E.G., Islamova A.G. Spreading behavior of a distilled water droplet on a superhydrophobic surface. MATEC Web of Conferences, 2015, vol. 23.
27. Van Oss C.J., Chaudhury M.K., Good R.J. Interfacial Lifshitz – Van der Waals and polar interactions in macroscopic systems. Chemical Reviews, 1988, vol. 88, no. 6, pp. 927–941. DOI: 10.1021/CR00088A006/ASSET/CR00088A006.FP.PNG_V03.
28. Preston D.J., Song Y., Lu Z., Antao D.S., Wang E.N. Design of lubricant infused surfaces. ACS Applied Materials and Interfaces, 2017, vol. 9, no. 48, pp. 42383–42392. DOI: 10.1021/ACSAMI.7B14311/ASSET/IMAGES/LARGE/AM-2017-14311X_0004.JPEG.
29. Etzler F.M. Determination of the surface free energy of solids: a critical review. Reviews of Adhesion and Adhesives, 2013, vol. 1, no. 1. DOI: 10.7569/RAA.2013.097301.
30. Shlegel N.E., Klimenko A., Strizhak P.A. Determination of integral characteristics of secondary atomization of fuel oil/water emulsion droplets. Fuel, 2024, vol. 372, Art. 132218. DOI: 10.1016/J.FUEL.2024.132218.
