De productie van halfgeleiders en vele andere industriële activiteiten omvatten reinigingsprocessen, en vanuit milieu- en gezondheidsperspectief, het is zeer wenselijk geworden om fysieke reinigingstechnieken zoals vloeistofstralen of onderwaterechografie te gebruiken in plaats van giftige chemicaliën.

Verrassend genoeg, onderzoekers die gespecialiseerd zijn in werktuigbouwkunde hebben niet veel aandacht besteed aan fysieke reinigingsproblemen. Maar nu, mechanische ingenieurs gespecialiseerd in het mechanisme van vloeistofbeweging aan de Keio University, in Japan, hebben de onderliggende fysica onthuld van wat er gebeurt als vloeistofstraalbotsingen inslaan op te reinigen oppervlakken.

Om dit te doen, de ingenieurs gebruikten een vloeistofdynamica-simulatie om als canoniek voorbeeld de impact van waterdruppels op een droge/natte stijve muur te bestuderen. Ze rapporteren hun werk in het journaal Fysica van vloeistoffen .

"Bij de productie van halfgeleiders kleinere vervuilende deeltjes moeten van siliciumwafels worden verwijderd naarmate de apparaten verder worden geminiaturiseerd, " zei Keita Ando, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Keio University. "De impact van druppeltjes op hoge snelheid heeft de voorkeur als het gaat om het verwijderen van deeltjes van zeer kleine afmetingen - in de orde van 10 nanometer - maar het kan oppervlakte-erosie veroorzaken."

Het is dus noodzakelijk om rekening te houden met de effecten van zowel viscositeit als samendrukbaarheid van de vloeistof op de impactdynamiek. "De vloeistof is stroperig, dus het produceert een mechanische wrijving die een essentiële rol speelt bij het verwijderen van deeltjes, "zei hij. "Bovendien, de vloeistof is samendrukbaar, wat betekent dat het een waterslagschok produceert bij de impact die uiteindelijk oppervlakteschade kan veroorzaken."

Computational fluid dynamics (CFD) die zowel de viscositeit als de samendrukbaarheid verklaren, vormen een grote uitdaging, daarom voerden de ingenieurs de eerste bekende viskeuze en samendrukbare stromingssimulatie uit om de dynamiek van hogesnelheidsdruppels zorgvuldig te onderzoeken. "De verschijnselen zijn klein van formaat en erg snel; het is erg moeilijk om ze op te lossen met de huidige experimentele technieken, ' zei Ando.

Waarom is deze simulatiebenadering zo belangrijk? Het maakt het mogelijk om een ​​afweging te maken tussen efficiënte reinigingsprestaties - ook wel deeltjesverwijderingsefficiëntie genoemd - en schadevrij reinigen.

"Onze aanpak kan worden gebruikt om wrijvingskracht en waterslagdruk te kwantificeren, " zei Ando. "Deze zijn handig voor het onderzoeken van optimale waarden van de impactsnelheid, bijvoorbeeld, gegeven verontreinigende deeltjeseigenschappen inclusief grootte. De directe impact van waterdruppels op droge oppervlakken veroorzaakt hoge wrijving en impactdruk, wat een efficiënte maar erosieve reiniging impliceert."

In hun simulatie de ingenieurs onderzochten het geval om in eerste instantie een waterfilm aan te brengen die het reinigingsoppervlak bedekt. Hun resultaten laten zien dat deze film de druppelimpact kan opvangen, wat cruciaal is voor minder erosieve reiniging.

"Milieuvriendelijke reinigingstechnieken - waaronder waterstraal- en onderwaterechografie - zullen in de toekomst een belangrijkere rol spelen. Hun technologische vooruitgang is altijd gehinderd door een gebrek aan begrip van de onderliggende fysica, die nu kan worden begrepen, "zei Ando. "Bovendien, verder dan experimenteel onderzoek, de CFD-benadering is een essentieel hulpmiddel als het gaat om de kwantificering van vloeistofstroom."