Физики НГУ описали новые возможности охлаждения микроэлектроники

Повышенный интерес к рынку микроэлектроники со стороны государства и бизнеса стимулирует ученых проводить тематические НИОКР и предлагать рынку инновации и научно-технологические решения, способные сделать процессы производства продукции и ее эксплуатации эффективнее.

Проведенное учеными Физического факультета Новосибирского государственного университета Иваном Вожаковым и Федором Роньшиным, а также студентом магистратуры Андреем Лукьяновым численное и экспериментальное исследование тейлоровских пузырьков в квадратном миниканале позволит не только улучшить системы охлаждения трехмерных вычислительных чипов, но и влиять на интенсификацию массообмена, актуальную для химических, биологических и медицинский приложений.

— В трехмерных чипах происходит объемное выделение тепла, в отличии от привычных чипов, где тепло отводится с поверхности. Одним из перспективных методов их охлаждения является использование мини- и микроканалов, которые создаются в самом чипе травлением в процессе производства. Чтобы охарактеризовать теплообмен, необходимо определить толщину пленки жидкости при двухфазном течении. Классические корреляции определяют толщины пленок жидкости только в круглых каналах, но в производстве проще создавать каналы квадратного сечения. 

В нашем исследовании как раз и предложена корреляция для толщины пленки в канале квадратного сечения, которая позволяет рассчитать эффективность охлаждения системы, — рассказал кандидат физико-математических наук, старший преподаватель ФФ НГУ Федор Роньшин.

тейлоровские пузырьки_эксперимент.jpg
Ученые-физики исследовали распределение скоростей в жидкости и газе, распределение толщины пленки жидкости в пузырьке, линии тока в жидкости вблизи пузырька и в самом пузырьке. Расчетные данные модели, построенной методом объема жидкости в пакете с открытым исходным кодом OpenFOAM, совпали с результатами экспериментального исследования, проведенного с использованием высокоскоростного теневого метода и автоматической обработки. При этом были выявлены и некоторые особенности массообмена в квадратном канале.

— В квадратном канале перед пузырем имеются четыре устойчивых вихря в направлении углов канала, а внутри пузыря имеется специфический поток от хвоста к носу пузыря. В пузыре происходит закрутка газа в поперечном направлении. Эти факторы оказывают дополнительное влияние на интенсификацию массообмена. С практической точки зрения это можно использовать не только для процессов охлаждения, но и также для таких задач химии, биологии и медицины как экстракция или перемешивание веществ с высокой эффективностью, — объясняет Андрей Лукьянов.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 21-79-10357. Результаты опубликованы в престижном международном журнале Physics of Fluids (Q1).