流体动力学模拟揭示了液体射流清洗的基础物理

流体动力学模拟揭示了液体射流清洗的基础物理

半导体制造和许多其他工业操作都涉及到清洗过程，从环境和健康的角度来看，使用物理清洗技术如液体喷射或水下超声波来代替有毒化学物质已经成为非常可取的。令人惊讶的是，机械工程专业的研究人员并没有对物理清洗问题给予足够的重视。但现在，日本庆应义塾大学(Keio University)专门研究流体运动机理的机械工程师们揭开了液体射流撞击待清洗表面时所发生的物理现象。

为了做到这一点，工程师们使用流体动力学模拟来研究水滴对干/湿刚性墙体的影响，这是一个典型的例子。他们在AIP出版的《流体物理学》杂志上报告了他们的工作。庆应义塾大学(Keio University)机械工程助理教授安藤圭太(Keita Ando)表示:“在半导体制造业，随着设备进一步小型化，需要从硅片中去除较小尺寸的污染物颗粒。”“高速液滴碰撞有利于去除非常小的颗粒——大约10纳米——但它会导致表面侵蚀。”因此，有必要考虑流体的粘度和压缩性对冲击动力学的影响。他说:“流体是粘性的，所以它产生的机械摩擦在去除颗粒中起着至关重要的作用。”“此外，这种液体是可压缩的，这意味着它在冲击时会产生水锤冲击，最终可能造成表面损伤。”

考虑粘性和可压缩性的计算流体动力学(CFD)是一个巨大的挑战，因此工程师们进行了第一次已知的粘性和可压缩性流动模拟，仔细研究了高速液滴冲击动力学。“这些现象很小，而且非常快;目前的实验技术很难解决这些问题。

为什么这种模拟方法如此重要?它能够在高效清洗性能(即颗粒去除效率)和无损伤清洗之间找到一种平衡关系。“我们的方法可以用来量化摩擦力和水锤冲击压力，”Ando说。这对于探索碰撞速度的最优值很有用，例如，给定污染物颗粒的性质，包括大小。水滴对干燥表面的直接冲击会产生很高的摩擦和冲击压力，这意味着高效但有腐蚀性的清洗。

在他们的模拟中，工程师们首先研究了在清洁表面覆盖一层水的情况。结果表明，该膜能有效地缓冲液滴的冲击，对降低腐蚀清洗效果至关重要。“包括水射流和水下超声波在内的环保清洁技术在未来将发挥更重要的作用。”他们的技术进步一直受到对基本物理知识缺乏理解的阻碍，而这些知识现在是可以理解的。“此外，除了实验研究之外，CFD方法是流体流动量化的一个重要工具。”