O resfriamento por spray é um dos métodos mais promissores para resfriar eletrônicos de alto fluxo de calor. Resfriamento por spray bifásico, em particular, foi mostrado para resfriar fluxos de calor que são ordens de magnitude maiores do que os métodos tradicionais de resfriamento, como ventiladores e dissipadores de calor. A complexa física do resfriamento por spray de duas fases, em que as gotículas são atomizadas com uma fase gasosa pressurizada secundária, exige uma compreensão mais profunda.

Para resolver isso, pesquisadores dos Estados Unidos e do Reino Unido investigaram a física básica do impacto de gotículas tanto experimental quanto computacionalmente. Eles usaram uma abordagem computacional chamada método lattice-Botzmann (LBM) para simular o impacto de uma única microgotícula em uma superfície seca.

Suas descobertas, relatado esta semana no jornal Física dos Fluidos , poderia beneficiar muitas outras aplicações, além do resfriamento por spray, incluindo impressão a jato de tinta, revestimento de tinta, pulverização de plasma e microfabricação.

Por razões práticas, a maioria das pesquisas até agora tem se baseado no estudo de gotículas de tamanho milimetrado e os impactos hidrodinâmicos em superfícies sólidas secas. Contudo, tamanhos de gotículas no resfriamento por spray são três ordens de magnitude menores, o que significa que a física da dispersão do líquido e a dinâmica do impacto podem ser muito diferentes.

Descobrir, os pesquisadores se voltaram para algoritmos LBM, que são usados ​​para a modelagem computacional de fluxo de fluido em geometrias complexas e fluxos multifásicos. Ele também incorpora uma abordagem mesoscópica que cobre a lacuna entre a dinâmica molecular microscópica e a mecânica dos fluidos macroscópica.

“Como resultado do LBM, fomos capazes de distinguir as escalas apropriadas do problema e, portanto, normalizar com sucesso a dinâmica da fase de propagação, que complicou a física no nível microscópico, "disse Mahsa Ebrahim, bolsista de pós-doutorado na Universidade de Villanova na Pensilvânia e co-autor do artigo. "Na literatura, existem muitas correlações e modelos analíticos para a dinâmica de gotículas de alto impacto. Contudo, a maioria deles falhou nos regimes de impacto mais baixo por causa da física distinta no nível microscópico. "

Para resfriamento por spray monofásico, um líquido é pulverizado no ar ambiente sem pressão de ar significativa ou forças agindo na superfície da gota. Os pesquisadores foram capazes de desenvolver uma correlação para o sistema que pode prever razoavelmente o diâmetro da gota instantânea após os regimes de baixo impacto.

No resfriamento por spray bifásico, o gás atomizado forma gotículas menores, que impactam a superfície sob um fluxo de gás atomizado, chamado de jato de estagnação. Já havia a hipótese de que o jato afetaria a propagação em todas as condições de impacto. Contudo, por meio de LBM, a equipe de pesquisa mostrou que não há efeitos significativos para certos casos, que deu lugar a uma forma inteiramente nova de caracterizar tais sistemas. O jato não teve tais efeitos para razões de número capilar abaixo de 0,35, e, assim, definiu uma nova métrica adimensional (Ca *) como a razão dos números capilares do jato para a gota.

"Com base nos números capilares de gotículas e jatos como uma métrica para medir se as forças normais e de cisalhamento do jato de estagnação afetarão a fase de espalhamento de gotículas, "Ebrahim disse, "descobrimos que a dinâmica de espalhamento de gotículas será influenciada pelo jato de estagnação apenas para números capilares maiores que 0,35."

A partir disso, os pesquisadores determinaram que a física para microgotículas difere de suas contrapartes macro, uma distinção vital para entender, à medida que os sprays de gotículas atomizadas encontram cada vez mais aplicações.