Computermodellen simuleren efficiënt en nauwkeurig de magnetische reacties van ferrovloeistoffen door alleen het oppervlak van de vloeistof te beschouwen.

De stekelige structuur die losbarst uit het gladde oppervlak van een ferrovloeistof wanneer een magneet dichtbij wordt gebracht, kan nauwkeuriger worden voorspeld dan eerder werd gedacht. KAUST-onderzoekers hebben aangetoond dat computationele algoritmen de borstelige reactie van de ferrovloeistof op een magneet kunnen berekenen door alleen de oppervlaktelaag van de vloeistof te simuleren.

Ferrofluids zijn vloeibare suspensies van op ijzer gebaseerde deeltjes die zich gedragen als een gewone vloeistof, maar als er eenmaal een magneet aanwezig is, de ferrovloeistof verandert snel van vorm om spikes te vormen die op één lijn liggen met het magnetische veld. Oorspronkelijk ontwikkeld door NASA, ferrovloeistoffen hebben tal van toepassingen, variërend van geavanceerde elektronica tot nanogeneeskunde en hebben het potentieel voor een nog breder gebruik, als hun magnetische reacties nauwkeuriger konden worden voorspeld.

Dominik Michels en zijn team passen computersimulaties toe om het gedrag van ferrovloeistof te modelleren. "Ons doel is om een ​​efficiënt en nauwkeurig algoritme te ontwikkelen om de macroscopische vormen en dynamische beweging van ferrovloeistoffen te simuleren, " zegt Libo Huang, een doctoraat student in het team van Michels.

Onlangs, kijkend naar het bredere veld van vloeistofsimulatie, het team heeft aangetoond dat het concept van het simuleren van vloeistofbeweging door alleen het vloeistofoppervlak te beschouwen, kan worden aangepast aan ferrovloeistoffen.

"Terwijl de vloeistofsimulatie alleen aan het oppervlak een platform biedt voor vloeistofsimulatie, de uitbreiding naar ferrovloeistoffen is aanzienlijk, " zegt Huang. Om het gedrag van een vloeistof te modelleren op basis van alleen het oppervlak, de vloeistof moet op een eenvoudige lineaire manier reageren op invoer. De meeste ferrovloeistoffen hebben een complexe niet-lineaire respons op een magnetisch veld.

Echter, het team toonde aan dat zolang het magnetische veld niet te sterk is, de respons is bijna lineair, waardoor ze alleen een oppervlakteberekening van de magnetische veldrespons kunnen uitvoeren.

In de simulatie, de onderzoekers stelden het vloeistofoppervlak voor als een reeks driehoeken, Huang legt uit. "De weergave van ferrovloeistoffen als oppervlaktedriehoeken stelde ons in staat om de kromming van het vloeistofinterface en de interfacepositie nauwkeurig te schatten, " zegt hij. De spike-structuur kan worden gesimuleerd door het samenspel tussen de magnetische kracht en de oppervlaktespanning van de vloeistof te berekenen.

Gezien alleen het oppervlak van de vloeistof, in plaats van het volledige volume, maakte de simulatie veel rekenkundig efficiënter, waardoor een nauwkeurigere simulatie van het complexe ferrofluïde gedrag mogelijk is. "We waren in staat om de afstand tussen pieken van het piekpatroon van de echte vloeistof op een nauwkeurige kwantitatieve manier te reproduceren, ", zegt Michels. "We zouden veel complexere dynamische bewegingen kunnen simuleren."