Il raffreddamento a spruzzo è uno dei metodi più promettenti per il raffreddamento dell'elettronica ad alto flusso di calore. Raffreddamento a spruzzo bifase, in particolare, ha dimostrato di raffreddare i flussi di calore che sono ordini di grandezza superiori rispetto ai metodi di raffreddamento tradizionali come ventole e dissipatori di calore. La complessa fisica del raffreddamento spray bifase, in cui le goccioline vengono atomizzate con una fase gassosa secondaria in pressione, richiede una comprensione più profonda.

Per affrontare questo, ricercatori degli Stati Uniti e del Regno Unito hanno studiato la fisica di base dell'urto delle goccioline sia sperimentalmente che computazionalmente. Hanno usato un approccio computazionale chiamato metodo Reticolo-Botzmann (LBM) per simulare l'impatto di una singola microgoccia su una superficie asciutta.

Le loro scoperte, riportato questa settimana sul giornale Fisica dei fluidi , potrebbe beneficiare di molte altre applicazioni oltre allo spray-cooling, compresa la stampa a getto d'inchiostro, rivestimento di vernice, spruzzatura al plasma e microfabbricazione.

Per ragioni pratiche, la maggior parte delle ricerche finora si è basata sullo studio di goccioline di dimensioni millimetriche e sugli impatti idrodinamici su superfici solide asciutte. Però, le dimensioni delle gocce nel raffreddamento a spruzzo sono tre ordini di grandezza inferiori, il che significa che la fisica della dispersione del liquido e la dinamica dell'impatto potrebbero essere molto diverse.

Per scoprirlo, i ricercatori si sono rivolti agli algoritmi LBM, che vengono utilizzati per la modellazione computazionale del flusso di fluidi in geometrie complesse e flussi multifase. Incorpora anche un approccio mesoscopico che copre il divario tra la dinamica molecolare microscopica e la meccanica dei fluidi macroscopica.

"Come risultato della LBM, siamo riusciti a distinguere le opportune scale del problema e quindi a normalizzare con successo la dinamica della fase di diffusione, che ha complicato la fisica a livello microscopico, " disse Mahsa Ebrahim, borsista post-dottorato presso l'Università di Villanova in Pennsylvania e coautore del documento. "Nella letteratura, ci sono molte correlazioni e modelli analitici per la dinamica delle goccioline ad alto impatto. Però, la maggior parte di loro ha fallito nei regimi di impatto inferiore a causa della fisica distinta a livello microscopico".

Per raffreddamento spray monofase, un liquido viene spruzzato nell'aria ambiente senza che la pressione dell'aria o forze significative agiscano sulla superficie della goccia. I ricercatori sono stati in grado di sviluppare una correlazione per il sistema in grado di prevedere ragionevolmente il diametro istantaneo delle gocce dopo i regimi a basso impatto.

Nel raffreddamento a spruzzo bifase, il gas di nebulizzazione forma goccioline più piccole, che impattano la superficie sotto un flusso di gas atomizzante, chiamato getto di stagnazione. In precedenza era stato ipotizzato che il getto avrebbe influenzato la diffusione in tutte le condizioni di impatto. Però, tramite LBM, il gruppo di ricerca ha mostrato che non ci sono effetti significativi per alcuni casi, che diede il via a un modo completamente nuovo di caratterizzare tali sistemi. Il getto non ha avuto tali effetti per rapporti di numero capillare inferiori a 0,35, e quindi ha definito una nuova metrica adimensionale (Ca*) come il rapporto tra i numeri dei capillari del getto e delle goccioline.

"In base ai numeri dei capillari di goccioline e getti come metrica per misurare se le forze normali e di taglio del getto di stagnazione influenzeranno la fase di diffusione delle goccioline, "Ebrahim ha detto, "abbiamo scoperto che la dinamica di diffusione delle goccioline sarà influenzata dal getto di stagnazione solo per numeri di capillari maggiori di 0,35".

Da questa, i ricercatori hanno determinato che la fisica delle microgoccioline differisce dalle loro controparti macro, una distinzione vitale per capire, poiché gli spray a goccioline atomizzate trovano sempre più applicazioni.