Spraykylning är en av de mest lovande metoderna för kylning av elektronik med högt värmeflöde. Tvåfas spraykylning, särskilt, har visat sig kyla värmeflöden som är storleksordningar högre än traditionella kylmetoder som fläktar och kylflänsar. Den komplexa fysiken för tvåfas spraykylning, i vilken droppar atomiseras med en sekundär trycksatt gasfas, kräver djupare förståelse.

För att ta itu med detta, forskare från USA och Storbritannien undersökte den fysiska grundläggande fysiken för dropppåverkan både experimentellt och beräknat. De använde en beräkningsmetod som kallas Lattice-Botzmann-metoden (LBM) för att simulera effekten av en enda mikrodroppe på en torr yta.

Deras fynd, rapporterade i veckan i tidningen Vätskans fysik , kan gynna många andra applikationer utöver spraykylning, inklusive bläckstråleskrivare, färgbeläggning, plasmasprutning och mikrofabricering.

Av praktiska skäl, mest forskning hittills har baserats på att studera millimeterstora droppar och de hydrodynamiska effekterna på torra fasta ytor. Dock, droppstorlekar vid spraykylning är tre storleksordningar mindre, vilket innebär att vätskedispersions fysik och påverkan kan vara mycket olika.

Att få reda på, forskarna vände sig till LBM -algoritmer, som används för beräkningsmodellering av vätskeflöde i komplexa geometrier och florfasflöden. Det innehåller också en mesoskopisk metod som täcker klyftan mellan den mikroskopiska molekylära dynamiken och den makroskopiska vätskemekaniken.

"Som ett resultat av LBM, vi kunde särskilja lämpliga skalor för problemet och därför framgångsrikt normalisera spridningsfasens dynamik, som har komplicerad fysik på mikroskopisk nivå, "sa Mahsa Ebrahim, postdoktor vid University of Villanova i Pennsylvania och medförfattare till tidningen. "I litteraturen, det finns många korrelationer och analytiska modeller för droppdynamik med hög effekt. Dock, de flesta av dem misslyckades i de lägre slagreglerna på grund av den distinkta fysiken på mikroskopisk nivå. "

För enfas spraykylning, en vätska sprutas i omgivande luft utan betydande lufttryck eller krafter som verkar på droppytan. Forskarna kunde utveckla en korrelation för systemet som rimligen kan förutsäga den momentana droppdiametern efter regimerna med låg effekt.

Vid tvåfas spraykylning, den finfördelande gasen bildar mindre droppar, som påverkar ytan under ett atomiserande gasflöde, kallas en stagnationsstråle. Det hade tidigare antagits att jetplanet skulle påverka spridningen under alla slagförhållanden. Dock, genom LBM, forskargruppen visade att det inte finns några signifikanta effekter för vissa fall, som gav vika för ett helt nytt sätt att karakterisera sådana system. Strålen hade inga sådana effekter för kapillärantalsförhållanden under 0,35, och definierade således ett nytt måttlöst mått (Ca*) som förhållandet mellan jet-till-droppe kapillärtal.

"Baserat på dropp- och jetkapillärnumren som ett mått för att mäta om de normala och skjuvkrafterna hos [stagnationsstrålen kommer att påverka droppens spridningsfas, "Sa Ebrahim, "vi fann att droppspridningsdynamiken kommer att påverkas av stagnationsstrålen endast för kapillartal större än 0,35."

Från detta, forskarna bestämde att fysiken för mikrodroppar skiljer sig från deras makro -motsvarigheter, en viktig skillnad att förstå, som atomiserade droppsprayer hittar allt fler applikationer.