El enfriamiento por aspersión es uno de los métodos más prometedores para enfriar componentes electrónicos de alto flujo de calor. Refrigeración por pulverización de dos fases, en particular, Se ha demostrado que enfría los flujos de calor que son órdenes de magnitud más altos que los métodos de enfriamiento tradicionales como ventiladores y disipadores de calor. La compleja física del enfriamiento por aspersión de dos fases, en el que las gotas se atomizan con una fase gaseosa presurizada secundaria, exige una comprensión más profunda.

Para abordar esto, Investigadores de los Estados Unidos y el Reino Unido investigaron la física básica del impacto de las gotas tanto de forma experimental como computacional. Utilizaron un enfoque computacional llamado método de celosía-Botzmann (LBM) para simular el impacto de una sola microgotita en una superficie seca.

Sus hallazgos, informó esta semana en la revista Física de fluidos , podría beneficiar a muchas otras aplicaciones además del enfriamiento por aspersión, incluida la impresión de inyección de tinta, revestimiento de pintura, proyección de plasma y microfabricación.

Por razones practicas, la mayor parte de las investigaciones hasta ahora se han basado en el estudio de gotas de tamaño milimétrico y los impactos hidrodinámicos en superficies sólidas secas. Sin embargo, Los tamaños de las gotas en el enfriamiento por aspersión son tres órdenes de magnitud más pequeños, lo que significa que la física de la dispersión de líquidos y la dinámica del impacto podrían ser muy diferentes.

Descubrir, los investigadores recurrieron a los algoritmos LBM, que se utilizan para el modelado computacional de flujo de fluidos en geometrías complejas y flujos multifásicos. También incorpora un enfoque mesoscópico que cubre la brecha entre la dinámica molecular microscópica y la mecánica de fluidos macroscópica.

"Como resultado de la LBM, pudimos distinguir las escalas apropiadas del problema y, por lo tanto, normalizar con éxito la dinámica de la fase de propagación, que tiene una física complicada a nivel microscópico, "dijo Mahsa Ebrahim, becario postdoctoral en la Universidad de Villanova en Pensilvania y coautor del artículo. "En la literatura, Existen muchas correlaciones y modelos analíticos para la dinámica de gotas de alto impacto. Sin embargo, la mayoría de ellos fallaron en los regímenes de impacto más bajo debido a la física distinta a nivel microscópico ".

Para refrigeración por pulverización monofásica, se pulveriza un líquido en el aire ambiente sin presión de aire significativa o fuerzas que actúen sobre la superficie de la gota. Los investigadores pudieron desarrollar una correlación para el sistema que puede predecir razonablemente el diámetro instantáneo de las gotas después de los regímenes de bajo impacto.

En refrigeración por pulverización de dos fases, el gas atomizador forma gotitas más pequeñas, que impactan la superficie bajo un flujo de gas atomizador, llamado chorro de estancamiento. Anteriormente se había planteado la hipótesis de que el chorro afectaría la propagación en todas las condiciones de impacto. Sin embargo, a través de LBM, el equipo de investigación demostró que no hay efectos significativos para ciertos casos, que dio paso a una forma completamente nueva de caracterizar tales sistemas. El chorro no tuvo tales efectos para las relaciones de número de capilares por debajo de 0,35, y así definió una nueva métrica adimensional (Ca *) como la relación entre el número de capilares de chorro a gota.

"Basado en los números de gotas y capilares del chorro como una métrica para medir si las fuerzas normales y de corte del chorro de estancamiento afectarán la fase de dispersión de las gotas, "Ebrahim dijo:"Encontramos que la dinámica de dispersión de las gotas se verá influenciada por el chorro de estancamiento sólo para números de capilares superiores a 0,35".

De esto, los investigadores determinaron que la física de las microgotas difiere de sus contrapartes macro, una distinción vital para entender, a medida que los aerosoles de gotas atomizadas encuentran cada vez más aplicaciones.