Of het nu gaat om het ontwerpen van de meest effectieve methode voor brandstofinjectie in motoren, machines bouwen om hectares landbouwgrond te besproeien, of een auto schilderen, mensen vertrouwen op vloeibare sprays voor talloze industriële processen die ons dagelijks leven mogelijk maken en verrijken.

Om te begrijpen hoe u vloeibare straalspray schoner en efficiënter kunt maken, Hoewel, onderzoekers moeten zich concentreren op de kleine dingen:wetenschappers moeten vloeistoffen observeren die in atomaire, microseconde detail om een ​​van de grootste uitdagingen van de wetenschap te begrijpen:turbulente bewegingen in vloeistoffen.

Experimenten dienen als een belangrijk hulpmiddel om industriële spuitprocessen te begrijpen, maar onderzoekers zijn steeds meer gaan vertrouwen op simulatie voor het begrijpen en modelleren van de wetten die het chaotische, turbulente bewegingen die optreden wanneer vloeistoffen snel stromen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Prof. Dr. Markus Klein aan de Bundeswehr Universiteit München (Duits:Universität der Bundeswehr München) begreep dat het nauwkeurig en efficiënt modelleren van de complexiteit van turbulentie high-performance computing (HPC) vereist. en onlangs, het team gebruikte middelen van het Gauss Center for Supercomputing (GCS) in het Leibniz Supercomputing Center (LRZ) in Garching bij München om hoogwaardige stroomsimulaties te creëren voor een beter begrip van turbulente vloeistofbewegingen.

"Ons doel is om simulatiesoftware te ontwikkelen die iemand commercieel kan toepassen voor echte technische problemen, " zegt Dr. Josef Haßlberger, medewerker van het Klein-team. Hij werkt samen met medewerker Sebastian Ketterl aan het computationele project. Het onderzoek van het team werd onlangs gekozen voor de omslag van de Journal of Fluid Mechanics .

Het is een (multi)fase

Wanneer wetenschappers en ingenieurs spreken over vloeibare sprays, er zit een beetje meer nuance in dan dat - de meeste sprays zijn eigenlijk meerfasige fenomenen, wat betekent dat een combinatie van een vloeistof, vaste stof en gas stromen tegelijkertijd. In spuitbussen, dit gebeurt meestal door verneveling, of het uiteenvallen van een vloeibare vloeistof in druppels en ligamenten, uiteindelijk vormen dampen in sommige toepassingen.

Onderzoekers moeten rekening houden met deze meerfasenmenging in hun simulaties met voldoende details om enkele van de minuut, fundamentele processen die turbulente bewegingen beheersen, in het bijzonder hoe druppeltjes ontstaan, samensmelten en uiteenvallen, of de oppervlaktespanningsdynamiek tussen vloeistoffen en gassen - terwijl ook een groot genoeg gebied wordt vastgelegd om te zien hoe deze bewegingen jetsprays beïnvloeden. Druppels worden gevormd en beïnvloed door turbulente beweging, maar ook turbulente beweging na vorming verder beïnvloeden, waardoor de behoefte ontstaat aan zeer gedetailleerde en nauwkeurige numerieke simulatie.

Bij het modelleren van vloeistofstromen, onderzoekers gebruiken verschillende methoden. Onder hen, directe numerieke simulaties (DNS) bieden de hoogste mate van nauwkeurigheid, omdat ze beginnen zonder fysieke benaderingen over hoe een vloeistof zal stromen en het proces "vanaf het begin" numeriek tot de kleinste niveaus van turbulente beweging ("resolutie op Kolmogorov-schaal") nabootst. Vanwege de hoge rekeneisen, DNS-simulaties kunnen alleen worden uitgevoerd op 's werelds krachtigste supercomputers, zoals SuperMUC bij LRZ.

Een andere veelgebruikte benadering voor het modelleren van vloeistofstromen, simulaties met grote wervels (LES), maakt enkele aannames over hoe vloeistoffen op de kleinste schaal zullen stromen, en richt zich in plaats daarvan op het simuleren van grotere hoeveelheden vloeistoffen over langere tijdsperioden. Voor LES-simulaties om vloeistofstromen nauwkeurig te modelleren, de aannames die in het model zijn ingebouwd, moeten gebaseerd zijn op hoogwaardige invoergegevens, vandaar de noodzaak voor DNS-berekeningen.

Om turbulente stromingen te simuleren, de onderzoekers creëerden een driedimensionaal raster met meer dan 1 miljard individuele kleine cellen, het oplossen van vergelijkingen voor alle krachten die op dit vloeistofvolume werken, die, volgens de tweede wet van Newton, versnelling geven. Als resultaat, de vloeistofsnelheid kan zowel in ruimte als in tijd worden gesimuleerd. Het verschil tussen turbulent en laminair, of glad, stromen hangt af van hoe snel een vloeistof beweegt, en hoe dik, of stroperig, het is, en naast de grootte van de stroomstructuren. Vervolgens zetten onderzoekers het model in beweging, het berekenen van vloeistofeigenschappen vanaf het moment dat het een mondstuk verlaat totdat het in druppeltjes is uiteengevallen.

Op basis van de DNS-berekeningen van het team, het begon met het ontwikkelen van nieuwe modellen voor fijnschalige turbulentiegegevens die kunnen worden gebruikt om LES-berekeningen te informeren, uiteindelijk nauwkeurige jetspray-simulaties naar een meer commercieel niveau brengen. LES berekent de energie van grote constructies, maar de kleinste schalen van de stroom zijn gemodelleerd, wat betekent dat LES-berekeningen potentieel een hoge nauwkeurigheid bieden voor een veel bescheidener rekeninspanning.

Stroomt in de goede richting

Hoewel het team vooruitgang heeft geboekt bij het verbeteren van LES-modellen door een meer fundamenteel begrip van vloeistofstromen via zijn DNS-simulaties, er is nog ruimte voor verbetering. Hoewel het team momenteel het vernevelingsproces in detail kan simuleren, het zou graag aanvullende verschijnselen willen waarnemen die plaatsvinden op langere tijdschalen, zoals verdampings- of verbrandingsprocessen.

HPC-bronnen van de volgende generatie zullen de kloof dichten tussen academisch kaliber DNS van stroomconfiguraties en echte experimenten en industriële toepassingen. Dit zal leiden tot meer realistische databases voor modelontwikkeling en zal gedetailleerd fysiek inzicht geven in fenomenen die experimenteel moeilijk waar te nemen zijn.

In aanvulling, het team heeft meer werk te doen om de verbeteringen aan LES-modellen te implementeren. De volgende uitdaging is om druppels te modelleren die kleiner zijn dan de werkelijke rastergrootte in een typische simulatie met grote wervelingen, maar kan nog steeds interageren met de turbulente stroming en kan bijdragen aan impulsuitwisseling en verdamping.