Моделирование динамики жидкости . Производство полупроводников и многие другие промышленные операции включают процессы очистки, и с точки зрения окружающей среды и здоровья стало очень желательно использовать физические методы очистки, такие как жидкие струи или подводный ультразвук, вместо токсичных химикатов.

Удивительно, но исследователи, специализирующиеся в области машиностроения, не уделяли 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 столкновения струй жидкости ударяются о поверхность, подлежащую очистке.

Для этого инженеры использовали симуляцию гидродинамики для изучения воздействия капель воды на сухую / влажную жесткую стенку в качестве канонического примера. Они сообщают о своей работе в журнале Physics of Fluids.

«В производстве полупроводников частицы загрязняющих частиц меньшего размера необходимо удалять из кремниевых пластин, поскольку устройства становятся еще более миниатюрными», – говорит Кейта Андо, доцент кафедры машиностроения в университете Кейо. «Высокоскоростное воздействие капель предпочтительнее, когда речь идет об удалении частиц очень малых размеров – порядка 10 нанометров – но это может вызвать эрозию поверхности».

Поэтому необходимо учитывать влияние как вязкости, так 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 является сжимаемой, что означает, что она вызывает удар гидравлическим ударом при ударе, который может привести к повреждению поверхности».

Вычислительная гидродинамика (CFD), которая учитывает как вязкость, так и сжимаемость, является большой проблемой, поэтому инженеры выполнили первое известное моделирование вязкого и сжимаемого потока, чтобы тщательно изучить динамику удара высокоскоростной капли. «Явления мелкие и очень быстрые; очень трудно разрешить их с помощью современных экспериментальных методов», – сказал Андо.

Почему этот подход моделирования настолько важен? Это позволяет определить компромисс между эффективностью очистки – эффективностью удаления частиц – и очисткой без повреждений.

«Наш подход может быть использован для количественной оценки силы трения и ударного давления гидравлического удара», – сказал Андо. «Они полезны для исследования оптимальных значений скорости удара, например, с учетом свойств частиц загрязнений, включая размер. Прямое воздействие капель воды на сухие поверхности создает высокое трение и ударное давление, что подразумевает эффективную, но эрозионную очистку».

При их моделировании инженеры исследовали случай первоначального введения пленки воды, которая покрывает чистящую поверхность. Их результаты показывают, что эта пленка может смягчить воздействие капель, что крайне важно для менее эрозионной очистки.

«Экологически чистые методы очистки, включая водоструйный и подводный ультразвук, будут играть более важную роль в будущем. Их технологическому прогрессу всегда препятствовало отсутствие понимания основополагающей физики, которое теперь можно понять», – сказал Андо. «Кроме того, помимо экспериментальных исследований, подход CFD является важным инструментом для количественного определения потока жидкости».

По материалам phys.org