Удивительно, но исследователи, специализирующиеся в области машиностроения, не уделили много внимания проблемам физической очистки. Но теперь инженеры-механики, специализирующиеся на механизме движения жидкости в университете Кейо в Японии, раскрыли основную физику того, что происходит, когда струи жидкости сталкиваются с поверхностями, подлежащими очистке.
Для этого инженеры использовали моделирование гидродинамики, чтобы изучить влияние капель воды на сухую / влажную жесткую стену в качестве канонического примера. Они сообщают о своей работе в журнале Physics of Fluids от AIP Publishing.
«При производстве полупроводников частицы примесей меньшего размера необходимо удалять с кремниевых пластин, поскольку устройства становятся все более миниатюризированными», – сказала Кейта Андо, доцент кафедры машиностроения в Университете Кейо. «Высокоскоростной удар капли предпочтителен, когда дело доходит до удаления частиц очень маленького размера – порядка 10 нанометров, – но это может вызвать эрозию поверхности."
Поэтому необходимо учитывать влияние вязкости и сжимаемости жидкости на динамику удара. «Жидкость вязкая, поэтому она создает механическое трение, которое играет важную роль в удалении частиц», – сказал он. "Кроме того, жидкость сжимаема, а это означает, что она создает гидроудар при ударе, который может привести к повреждению поверхности."
Вычислительная гидродинамика (CFD), учитывающая как вязкость, так и сжимаемость, представляет собой серьезную проблему, поэтому инженеры выполнили первое известное моделирование вязкого и сжимаемого потока, чтобы тщательно изучить динамику удара высокоскоростной капли. «Явления небольшие по размеру и очень быстрые; их очень сложно разрешить с помощью современных экспериментальных методов», – сказал Андо.
Почему такой подход к моделированию так важен? Это позволяет определить компромиссное соотношение между эффективной очисткой, также известной как эффективность удаления частиц, и безупречной очисткой.
«Наш подход может быть использован для количественной оценки силы трения и давления гидроудара», – сказал Андо. «Они полезны для исследования оптимальных значений скорости удара, например, с учетом свойств частиц загрязняющих веществ, включая размер. Прямое воздействие капель воды на сухие поверхности создает высокое трение и ударное давление, что подразумевает эффективную, но эрозионную очистку."
В своем моделировании инженеры исследовали случай первоначального создания водяной пленки, покрывающей очищаемую поверхность. Их результаты показывают, что эта пленка может смягчить удар капель, что имеет решающее значение для менее эрозионной очистки.
«Экологически чистые методы очистки, включая водоструйную очистку и подводный ультразвук, – будут играть более важную роль в будущем. Их технологическому прогрессу всегда препятствовало непонимание фундаментальной физики, которую теперь можно понять », – сказал Андо. "Кроме того, помимо экспериментальных исследований, подход CFD является важным инструментом, когда дело доходит до количественной оценки потока жидкости."
Статья «Моделирование удара высокоскоростной капли о сухую / влажную стену для понимания механизма очистки струей жидкости» написана Томоки Кондо и Кейта Андо.
Он появится в журнале Physics of Fluids Jan. 29, 2019.