Simulerer sprøjt på mikroskopisk niveau

Spraykøling er en af ​​de mest lovende metoder til afkøling af elektronik med høj varmestrøm. To-faset spray køling, i særdeleshed, har vist sig at køle varmestrømme, der er størrelsesordener højere end traditionelle kølemetoder som ventilatorer og køleplader. Den komplekse fysik af tofaset spraykøling, hvor dråber forstøves med en sekundær gasfase under tryk, kræver dybere forståelse.

For at tackle dette, forskere fra USA og Det Forenede Kongerige undersøgte den grundlæggende fysik af dråbepåvirkning både eksperimentelt og beregningsmæssigt. De brugte en beregningsmetode kaldet lattice-Botzmann-metoden (LBM) til at simulere virkningen af ​​en enkelt mikrodråbe på en tør overflade.

Deres resultater, rapporteret i bladet i denne uge Fysik af væsker , kunne gavne mange andre applikationer ud over spray-køling, inklusive inkjet print, maling belægning, plasmasprøjtning og mikrofremstilling.

Af praktiske årsager, den meste forskning hidtil har været baseret på at studere millimeterstørrelse dråber og de hydrodynamiske påvirkninger på tørre faste overflader. Imidlertid, dråbestørrelser i spraykøling er tre størrelsesordener mindre, hvilket betyder, at væskedispersionens fysik og nedslagets dynamik kan være vidt forskellige.

At finde ud af, forskerne henvendte sig til LBM-algoritmer, som bruges til beregningsmodellering af fluidstrømning i komplekse geometrier og flerfasestrømme. Det inkorporerer også en mesoskopisk tilgang, der dækker kløften mellem den mikroskopiske molekylære dynamik og den makroskopiske væskemekanik.

"Som et resultat af LBM, vi var i stand til at skelne de passende skalaer af problemet og derfor med held normalisere dynamikken i spredningsfasen, som har kompliceret fysik på mikroskopisk niveau, " sagde Mahsa Ebrahim, postdoc ved University of Villanova i Pennsylvania og medforfatter til papiret. "I litteraturen, der er mange korrelationer og analytiske modeller for dråbedynamik med høj effekt. Imidlertid, de fleste af dem fejlede i de lavere påvirkningsregimer på grund af den særskilte fysik på mikroskopisk niveau."

Til enfaset spraykøling, en væske sprøjtes i den omgivende luft uden væsentligt lufttryk eller kræfter, der virker på dråbeoverfladen. Forskerne var i stand til at udvikle en korrelation for systemet, der med rimelighed kan forudsige den øjeblikkelige dråbediameter efter de lav-påvirkningsregimer.

Ved tofaset spraykøling, forstøvningsgassen danner mindre dråber, som rammer overfladen under en forstøvningsgasstrøm, kaldet en stagnationsstråle. Det var tidligere blevet antaget, at strålen ville påvirke spredningen under alle sammenstødsforhold. Imidlertid, gennem LBM, forskerholdet viste, at der ikke er signifikante effekter for visse tilfælde, hvilket gav plads til en helt ny måde at karakterisere sådanne systemer på. Strålen havde ingen sådanne effekter for kapillærtalsforhold under 0,35, og definerede således en ny dimensionsløs metrik (Ca*) som forholdet mellem jet-til-dråbe kapillærtal.

"Baseret på dråbe- og jetkapillærtallene som en metrik for at måle, om normal- og forskydningskræfterne for [stagnationsstrålen] vil påvirke dråbespredningsfasen, " sagde Ebrahim, "vi fandt ud af, at dråbespredningsdynamikken kun vil blive påvirket af stagnationsstrålen for kapillærtal større end 0,35."

Fra dette, forskerne fastslog, at fysikken for mikrodråber adskiller sig fra deres makro-modstykker, en vigtig sondring at forstå, da forstøvede dråbespray finder stadig flere anvendelser.