Sproeikoeling is een van de meest veelbelovende methoden voor het koelen van elektronica met een hoge warmtestroom. Tweefasige sproeikoeling, vooral, is aangetoond dat het warmtestromen koelt die orden van grootte hoger zijn dan traditionele koelmethoden zoals ventilatoren en koellichamen. De complexe fysica van tweefasige sproeikoeling, waarin druppeltjes worden verneveld met een secundaire gasfase onder druk, vraagt ​​om een ​​dieper begrip.

Om dit aan te pakken, onderzoekers uit de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk onderzochten de basisfysica van druppelinslag, zowel experimenteel als computationeel. Ze gebruikten een computationele benadering genaamd de rooster-Botzmann-methode (LBM) om de impact van een enkele microdruppel op een droog oppervlak te simuleren.

Hun bevindingen, meldde deze week in het journaal Fysica van vloeistoffen , kunnen naast sproeikoeling nog veel andere toepassingen ten goede komen, inclusief inkjetprinten, verflaag, plasmaspuiten en microfabricage.

Om praktische redenen, het meeste onderzoek tot nu toe is gebaseerd op het bestuderen van millimetergrote druppeltjes en de hydrodynamische effecten op droge vaste oppervlakken. Echter, druppelafmetingen bij sproeikoeling zijn drie ordes van grootte kleiner, wat betekent dat de fysica van vloeistofdispersie en de dynamiek van de impact enorm kunnen verschillen.

Er achter komen, de onderzoekers wendden zich tot LBM-algoritmen, die worden gebruikt voor de computationele modellering van vloeistofstroming in complexe geometrieën en stromingen met meerdere fasen. Het bevat ook een mesoscopische benadering die de kloof overbrugt tussen de microscopische moleculaire dynamica en de macroscopische vloeistofmechanica.

“Als gevolg van de LBM, we waren in staat om de juiste schalen van het probleem te onderscheiden en daarom de dynamiek van de verspreidingsfase met succes te normaliseren, die de fysica op microscopisch niveau gecompliceerd heeft, " zei Mahsa Ebrahim, postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Villanova in Pennsylvania en co-auteur van het artikel. "In de literatuur, er zijn veel correlaties en analytische modellen voor high-impact druppeldynamica. Echter, de meeste van hen faalden in de lagere impactregimes vanwege de verschillende fysica op microscopisch niveau."

Voor eenfasige sproeikoeling, een vloeistof wordt in de omgevingslucht gesproeid zonder noemenswaardige luchtdruk of krachten die op het druppeloppervlak inwerken. De onderzoekers konden een correlatie voor het systeem ontwikkelen die redelijkerwijs de momentane druppeldiameter kan voorspellen na de low-impact regimes.

Bij tweefasige sproeikoeling, het verstuivingsgas vormt kleinere druppeltjes, die het oppervlak raken onder een vernevelende gasstroom, een stagnatiestraal genoemd. Eerder werd aangenomen dat de straal de verspreiding onder alle impactomstandigheden zou beïnvloeden. Echter, via LBM, het onderzoeksteam toonde aan dat er voor bepaalde gevallen geen significante effecten zijn, die plaats maakte voor een geheel nieuwe manier om dergelijke systemen te karakteriseren. De jet had dergelijke effecten niet voor capillaire getalverhoudingen onder 0,35, en zo definieerde een nieuwe dimensieloze metriek (Ca *) als de verhouding van jet-tot-druppel capillaire getallen.

"Op basis van de druppel- en jetcapillaire getallen als een metriek om te meten of de normaal- en schuifkrachten van [de] stagnatiestraal de druppelverspreidingsfase zullen beïnvloeden, "Ebrahim zei:"we ontdekten dat de dynamiek van de druppelverspreiding alleen wordt beïnvloed door de stagnatiestraal voor capillaire getallen groter dan 0,35."

Van dit, de onderzoekers stelden vast dat de fysica voor microdruppels verschilt van hun macro-tegenhangers, een essentieel onderscheid om te begrijpen, aangezien vernevelde druppelsprays steeds meer toepassingen vinden.