Fluid dynamics simulering afslører den underliggende fysik ved rengøring af flydende jet

Halvlederfremstilling og mange andre industrielle operationer involverer rengøringsprocesser, og fra miljø- og sundhedsmæssige perspektiver, Det er blevet yderst ønskeligt at bruge fysiske rengøringsteknikker såsom flydende stråler eller ultralyd under vand i stedet for giftige kemikalier.

Overraskende, forskere med speciale i maskinteknik har ikke været meget opmærksomme på fysiske rengøringsproblemer. Men nu, mekaniske ingeniører med speciale i mekanismen for væskebevægelse ved Keio University, i Japan, har afsløret den underliggende fysik for, hvad der sker, når flydende jetkollisioner rammer overflader, der skal rengøres.

At gøre dette, ingeniørerne brugte en fluiddynamiksimulering til at studere virkningen af ​​vanddråber mod en tør/våd stiv væg som et kanonisk eksempel. De rapporterer deres arbejde i journalen Væskers fysik .

"I halvlederfremstilling, mindre forurenende partikler skal fjernes fra siliciumplader, efterhånden som enhederne bliver yderligere miniaturiserede, "sagde Keita Ando, en adjunkt i maskinteknik ved Keio University. "Højhastighedsdråbeeffekt foretrækkes, når det kommer til at fjerne partikler af meget små størrelser-i størrelsesordenen 10 nanometer-men det kan forårsage overfladerosion."

Så det er nødvendigt at overveje virkningerne af både viskositet og komprimerbarhed af væsken på slagdynamikken. "Væsken er tyktflydende, så det producerer en mekanisk friktion, der spiller en væsentlig rolle ved fjernelse af partikler, "sagde han." Desuden væsken er komprimerbar, hvilket betyder, at det producerer et vandhammerchok ved stødet, der kan ende med at forårsage overfladeskader. "

Computational fluid dynamics (CFD), der tegner sig for både viskositet og komprimerbarhed, er en stor udfordring, så ingeniørerne udførte den første kendte viskøse og komprimerbare strømningssimulering for omhyggeligt at undersøge højhastighedsdråbeslagsdynamik. "Fænomenerne er små og meget hurtige; det er meget svært at løse dem med nuværende eksperimentelle teknikker, "sagde Ando.

Hvorfor er denne simuleringsmetode så vigtig? Det gør det muligt at identificere et afvejningsforhold mellem effektiv rengøringsevne-alias effektivitet til fjernelse af partikler-og rengøringsfri.

"Vores tilgang kan bruges til at kvantificere friktionskraft og vandhammerpåvirkningstryk, "Sagde Ando." Disse er nyttige til at undersøge optimale værdier af slaghastigheden, for eksempel, givet forurenende partikelegenskaber inklusive størrelse. Den direkte påvirkning af vanddråber mod tørre overflader producerer høj friktion og slagtryk, hvilket indebærer effektiv, men erosiv rengøring. "

I deres simulering, ingeniørerne undersøgte sagen om først at introducere en film med vand, der dækker rengøringsoverfladen. Deres resultater viser, at denne film kan dæmpe dråbeeffekten, hvilket er afgørende for mindre erosiv rengøring.

"Miljøvenlige rengøringsteknikker - herunder vandstråle og ultralyd under vand - vil spille en vigtigere rolle i fremtiden. Deres teknologiske fremskridt har altid været forhindret af mangel på forståelse for den underliggende fysik, som nu kan forstås, "sagde Ando." Desuden ud over eksperimentel forskning, CFD -tilgangen er et vigtigt redskab, når det kommer til kvantificering af væskestrøm. "