Images du temps écoulé des simulations LBM. Crédit :Ebrahim et al.
Le refroidissement par pulvérisation est l'une des méthodes les plus prometteuses pour refroidir l'électronique à haut débit thermique. Refroidissement par pulvérisation en deux phases, en particulier, a été montré pour refroidir les flux de chaleur qui sont des ordres de grandeur plus élevés que les méthodes de refroidissement traditionnelles comme les ventilateurs et les dissipateurs thermiques. La physique complexe du refroidissement par pulvérisation diphasique, dans laquelle des gouttelettes sont atomisées avec une phase gazeuse secondaire sous pression, exige une compréhension plus profonde.
Pour y remédier, des chercheurs des États-Unis et du Royaume-Uni ont étudié la physique de base de l'impact des gouttelettes à la fois expérimentalement et informatiquement. Ils ont utilisé une approche informatique appelée méthode Lattice-Botzmann (LBM) pour simuler l'impact d'une seule microgouttelette sur une surface sèche.
Leurs découvertes, rapporté cette semaine dans le journal Physique des fluides , pourrait bénéficier de nombreuses autres applications en plus du refroidissement par pulvérisation, y compris l'impression à jet d'encre, couche de peinture, projection plasma et microfabrication.
Pour des raisons pratiques, la plupart des recherches à ce jour ont été basées sur l'étude de gouttelettes de taille millimétrique et les impacts hydrodynamiques sur les surfaces solides sèches. Cependant, la taille des gouttelettes dans le refroidissement par pulvérisation est de trois ordres de grandeur plus petite, ce qui signifie que la physique de la dispersion liquide et la dynamique de l'impact pourraient être très différentes.
Découvrir, les chercheurs se sont tournés vers les algorithmes LBM, qui sont utilisés pour la modélisation informatique de l'écoulement des fluides dans des géométries complexes et des écoulements polyphasiques. Il intègre également une approche mésoscopique qui couvre l'écart entre la dynamique moléculaire microscopique et la mécanique des fluides macroscopique.
« À la suite de la LBM, nous avons pu distinguer les échelles appropriées du problème et donc réussir à normaliser la dynamique de la phase d'étalement, qui a compliqué la physique au niveau microscopique, " dit Mahsa Ebrahim, boursier postdoctoral à l'Université de Villanova en Pennsylvanie et co-auteur de l'article. "Dans la littérature, il existe de nombreuses corrélations et modèles analytiques pour la dynamique des gouttelettes à fort impact. Cependant, la plupart d'entre eux ont échoué dans les régimes d'impact inférieur en raison de la physique distincte au niveau microscopique."
Pour le refroidissement par pulvérisation monophasé, un liquide est pulvérisé dans l'air ambiant sans pression d'air ou forces significatives agissant sur la surface des gouttelettes. Les chercheurs ont pu développer une corrélation pour le système qui peut raisonnablement prédire le diamètre instantané des gouttelettes après les régimes à faible impact.
En refroidissement par pulvérisation diphasique, le gaz de pulvérisation forme des gouttelettes plus petites, qui impactent la surface sous un flux de gaz de pulvérisation, appelé jet de stagnation. Il avait été précédemment émis l'hypothèse que le jet affecterait la propagation dans toutes les conditions d'impact. Cependant, via LBM, l'équipe de recherche a montré qu'il n'y a pas d'effets significatifs pour certains cas, qui a cédé la place à une toute nouvelle façon de caractériser de tels systèmes. Le jet n'a pas eu de tels effets pour les rapports de nombre de capillaires inférieurs à 0,35, et a ainsi défini une nouvelle métrique sans dimension (Ca*) comme le rapport des nombres de capillaires jet/gouttelette.
"Sur la base des nombres de capillaires de gouttelettes et de jets comme mesure pour mesurer si les forces normales et de cisaillement du jet de stagnation affecteront la phase d'étalement des gouttelettes, " Ebrahim a dit, "nous avons constaté que la dynamique de propagation des gouttelettes sera influencée par le jet de stagnation uniquement pour des nombres de capillaires supérieurs à 0,35."
De là, les chercheurs ont déterminé que la physique des microgouttelettes diffère de leurs homologues macro, une distinction vitale à comprendre, à mesure que les pulvérisations de gouttelettes atomisées trouvent de plus en plus d'applications.