Heb je je ooit afgevraagd waarom melk zo wit is of waarom mayonaise zo dik lijkt en toch uit de fles kan stromen?

Weet je dat deze stoffen gewoon olie en water met elkaar vermengd zijn, hoewel ze eruitzien en aanvoelen als geen van beide?

Het blijkt dat deze heerlijke kleine mysteries vaak grote kopzorgen veroorzaken voor chemische ingenieurs die een shampooproductieproces ontwerpen of een oliewinningsinstallatie in de Noordzee runnen. IBM Research en het Hartree Center van de Science and Technology Facilities Council (STFC) gebruiken wiskunde en high-performance computing om deze ingenieurs te helpen de wetenschap achter dit raadsel te begrijpen.

Het begrijpen van het gedrag van colloïden - een macroscopisch mengsel van onoplosbare deeltjes - blijft een uitdagende taak van immens praktisch belang. Overal om ons heen vinden we systemen, in deze schijnbaar alledaagse producten zoals melk, mayonaise of shampoo, door alledaagse weersomstandigheden zoals mist, wolken of (helaas!) vervuiling, tot grote industriële processen in de chemische technologie. Vaak vertonen deze mengsels verrassende gedragingen waarbij het geheel meer is dan alleen een som der delen. Het wetenschappelijk onderzoek op dit gebied heeft een lange en illustere geschiedenis, maar de recente toevoeging van HPC aan onze wetenschappelijke toolkit stelt ons in staat om gevallen te onderzoeken die ofwel te moeilijk zijn voor klassieke analyse of te duur om te experimenteren.

Onderzoekers van IBM en het Hartree Center werken samen om wiskundige modellen en computerprogramma's te bouwen waarmee de colloïdale dynamiek in detail kan worden bestudeerd. De complexiteit van het modelleren van deze stromen komt van de aanwezigheid van meerdere interfaces tussen niet-mengbare fasen (omdat ze geen enkele vloeistof vormen), breed scala aan schalen en in het geval van vloeistof- of gasdispersies voortdurend vervormende vormen. Bijvoorbeeld bij het uiteenvallen van een vloeistofstraal, de straal kan door primaire en secundaire breuk vele malen groter zijn dan de druppels en tegelijkertijd vele malen kleiner dan de geometrische afmetingen van de mengeenheid. Een directe resolutie van al deze schalen zou resulteren in buitensporige rekenkosten, wat ons ertoe brengt om alternatieven te zoeken in de vorm van verschillende multi-schaalmodelleringsstrategieën.

Daarom, samen met mijn collega's werk ik aan schaalbare technieken om de details van dergelijke stromen nauwkeurig op te lossen, evenals hun effectieve macroscopische kenmerken zoals mengselviscositeiten, gemiddelde druppelgroottes, grensvlakweerstand enz. De directe numerieke simulaties worden alleen uitgevoerd voor kleine delen van het volledige domein en de automatische nabewerking extraheert informatie over vooraf gedefinieerde karakteristieke kenmerken en identificeert het algehele stroomregime. De modellering van het volledige systeem kan dan de geïdentificeerde relaties gebruiken als afsluitingswetten of randvoorwaarden. De intuïtieve rechtvaardiging voor deze strategie is dat karakteristieke kenmerken in wezen repetitief zijn en niet overal hoeven te worden opgelost.

Chemische ingenieurs, afhankelijk van de context, willen de mengefficiëntie van hun procesinstallaties minimaliseren of maximaliseren. Om hun vragen te beantwoorden, we moeten onze bevindingen uit de gedetailleerde studies kunnen gebruiken in modellen van veel grotere systemen. Daarom werken we ook aan nieuwe codekoppelingsmethoden die gegevensuitwisseling mogelijk maken tussen simulatiecodes die op verschillende ruimtelijke schalen werken.

Het laatste onderdeel is een visualisatieraamwerk dat datacentrische principes implementeert om overmatige belasting van schijfinvoer/-uitvoer te voorkomen en het reactievermogen van een desktop-achtige toepassing te bieden. De combinatie van het uitvoeren van meerdere simulaties met gelijktijdige visualisatie is zeer geschikt voor de mogelijkheden van moderne heterogene computerclusters.

Algemeen, de wetenschap en technologie die samen werken, kunnen een veel uitgebreidere manier bieden om multischaalfenomenen gerelateerd aan colloïdale dispersies te bestuderen. De belangrijkste voordelen zijn de mogelijkheid om modellen die op technisch apparaatniveau worden gebruikt te verfijnen met resultaten van gedetailleerde simulaties en de mogelijkheid om nieuwe stroomregimes te verkennen. Dus probeer de volgende keer dat je je haar wast te waarderen hoe wetenschap, experimenteren, wiskunde en HPC die bijdragen aan het maken van de perfecte mix.