uFluids@Home - Informazioni generali

Scopo del progetto:
Le celle a combustibile, come i dispositivi dei MEMS (sistemi microelettromeccanici), sono influenzate dai fenomeni di tensione superficiale. I nuovi disegni delle celle comprendono piccolissime canalizzazioni con diametri fino a 5 μm (micron) per aumentare la portata e l’efficienza nel trasporto del fluido. Tuttavia si possono formare delle sacche di gas all'interno delle canalizzazioni a causa di fenomeni elettrostatici, reazioni chimiche o semplicemente per rovesciamento della canalizzazione. Queste bolle di gas ostruiscono anche le più piccole scanalature, sono difficili da eliminare e diminuiscono sensibilmente l’efficienza e l’affidabilità del sistema.
Anche se sono stati fatti progressi nella comprensione del fenomeno della micro-capillarità, il design dei componenti dei MEMS non ha tratto vantaggio da queste conoscenze per risolvere le problematiche relative alle fasi di bloccaggio del flusso. L'obbiettivo di questo progetto di ricerca è di investigare su come la geometria della canalizzazione e la selezione dei materiali influenzano la formazione, la stabilità e la rottura delle bolle. Verranno analizzate anche le tecniche di modifica della tensione superficiale, come l'electro-wetting, e i rivestimenti hydrophobic/hydrophilic. Una volta raggiunti questi target, sarà possibile realizzare MEMS affidabili, semplici e convenienti, grazie a design ottimali ed efficaci tecniche di costruzione.

Metodo di ricerca:

1. Ricerca di tecniche e materiali per litografia (intesa come processo di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore) e microlavorazione correlati alla realizzazione dei canali, alle loro proprietà fisiche e ai costi/problemi di fabbricazione.
2. Raccogliere mappature di pompe, valvole, sensori e canali.
3. Stabilire modelli quantitativi per i fenomeni di elettro-capillarità e termo-capillarità.
4. Calcolare la stabilità delle bolle nei raccordi e nei canali.
5. Creare un modello della formazione dinamica e della destabilizzazione di questi blocchi al flusso.
6. Verificare sperimentalmente i risultati ottenuti.
7. Sviluppare linee guida per un completo riempimento/drenaggio delle micro canalizzazioni.

Nella fase 1 è stata fatta una estesa ricerca per catalogare i diversi metodi di etching (processo chimico utilizzato nella microfabbricazione). Varie tecniche di fabbricazione come la DRIE (Deep Reactive Ion Etching) o altre più convenzionali (wet etching = a bagno di acido) producono risultati diversi, hanno profonde limitazioni, richiedono materiali specifici e hanno differenze di costi significative. Ad esempio con il metodo DRIE si ottengono microcanali di sezione rettangolare con profondità superiori ai 500 μm mentre con la tecnica tradizionale, meno facile da controllare, avrò cavità trapezoidali o semi-circolari meno profonde. Continuando con il confronto la tecnica DRIE richiede notevoli investimenti iniziali e un costo di produzione doppio della tecnica tradizionale. La micro-lavorazione meccanica ha costi ulteriormente inferiori ma produce canali di sezione diversa da quelle descritte in precedenza.

 

Dopo le prime fasi di ricerca si è entrati nella fase 4 che sfrutta l’applicazione SURFACE EVOLVER per analizzare l’interfaccia gas-liquido e determinare la sua stabilità statica per una gran numero di geometrie, angoli di contatto, tecniche di alterazione della tensione superficiale, volumi delle bolle. Il software in questione analizza queste superfici tenendo conto della tensione superficiale, della gravità e di diverse altre forme di energia a cui sono soggette. Si possono facilmente studiare fenomeni di instabilità capillare in geometrie complesse come nel caso dei sistemi di distribuzione del propellente sui satelliti o più semplicemente valutare il comportamento dei fluidi nei raccordi tra capillari.
Nella fase 5 l’evoluzione dinamica delle bolle viene studiata con metodi numerici (CFD: Computational Fluid Dinamics) e i risultati vengono confrontati con le soluzioni statiche trovate in precedenza (S. EVOLVER). Questo dovrebbe dare una profonda conoscenza dell’instabilità ed delle dell'assorbimento delle bolle. I risultati saranno testati nella successiva fase 6 utilizzando pompe e capillari reali dove i fluidi saranno mossi applicando differenti pressioni. I risultati serviranno per avvalorare l’accuratezza delle simulazioni CFD.

L'applicazione EVOLVER che va in esecuzione sui nostri PC è in grado di simulare l’interfaccia bi-fase (liquido e gas) all’interno di un condotto sottoposto a pressione. La sezione trasversale del condotto è formata da superfici piane chiuse da superfici di forma semicircolare. Diversi valori della pressione applicata vengono simulati variando il rapporto tra la lunghezza delle superfici piane e il raggio di quella curva. Questa applicazione è importante per studiare ad esempio come le bolle di gas possono bloccare il carburante in condotti di sezione non uniforme a causa delle tolleranze di lavorazione. In particolare i casi studiati sono 2:

 

Sul sito ufficiale di μFluids@Home è presente una pagina con l'elenco delle pubblicazioni legate al progetto e i link per consultarle. Di seguito l'elenco:

Zero Gravity Two-Phase Stability Solutions of Droplets in a bent circular cylinder
Master Thesis - 2008

Gas Bubble Stability in a Sphere Layer
Master Thesis - July 2006

Bubble Penetration Through a Single Layer Sphere Bed
45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit - January 2006

μFluids@home su Wikipedia (in costruzione)
MEMS - Microelectromechanical systems su Wikipedia (in inglese)
Surface Evolver home page (in inglese)