Учёные одновременно картировали температуру и поток в конвективных микропотоках

Исследователи из Токийского столичного университета разработали метод измерения температуры и скорости жидкости в конвективном шлейфе с точностью до миллиметра.

Они объединили визуализацию поглощения в ближней инфракрасной области и обработку изображений, чтобы создать карту скоростей и температур. Это открытие может помочь улучшить конструкцию микронагревательных и охлаждающих устройств.

Точные карты потоков тепла и вещества в микромасштабе важны для проектирования микронагревательных и охлаждающих устройств. Пример — микропроцессоры с жидкостным охлаждением, где поток влияет на эффективность отвода тепла от чипов.

Со временем появился широкий спектр методов картирования потока и температуры. Например, видеослежение за крошечными частицами «трассера» позволяет получить точную карту потока. Однако учёные ищут лучший способ реализовать картирование сразу нескольких величин, особенно в трёх измерениях.

Исследователи из Токийского столичного университета под руководством профессора Наото Какуты изучают, как использовать изображения в ближней инфракрасной области для создания карт температуры в жидких телах.

Вода по-разному поглощает свет в ближней инфракрасной (БИК) области в зависимости от температуры. Если с помощью нескольких БИК-камер определить, сколько света поглощается в разных частях образца, можно создать точную 3D-карту температуры.

В предыдущей работе этот метод использовали, чтобы визуализировать крошечные конвективные шлейфы — вертикальные циркулирующие потоки, которые возникают при нагреве микроскопической части объёма жидкости.

Если бы можно было отобразить температуру на карте, то это решило бы проблему. Но профиль течения в то же время невозможно было бы увидеть. Это существенный недостаток, поскольку конвективные потоки характеризуются сложной связью между переносом тепла и течением.

Чтобы решить эту проблему, команда добавила трассирующие частицы и применила существующие методы. Однако для этого потребовалась бы дополнительная подсветка мощными светодиодами или лазерами.

Команда заметила, что трассирующие частицы отбрасывают тень на фоне БИК-подсветки, используемой для создания карты температур. Предварительная работа помогла создать двухмерные карты, просто наблюдая за движением теней. Теперь они смогли создать полностью трёхмерные карты с помощью той же системы из двух камер. Манипулируя изображениями, они смогли отделить тени от профиля поглощения, используя те же данные для получения трёхмерной карты потока и температуры.

С помощью микроскопических шлейфов команда успешно измерила температуру вокруг источника тепла и определила профиль потока. Полученные данные соответствуют результатам численного моделирования.

Новый метод поможет изучить конвективные шлейфы в микромасштабе и понять, как они влияют на работу устройств.

Результаты опубликованы в издании Journal of Visualization.

20.07.2024