Oavsett om det är att designa den mest effektiva metoden för bränsleinsprutning i motorer, bygga maskiner för att vattna tunnland jordbruksmark, eller måla en bil, människor förlitar sig på flytande sprayer för otaliga industriella processer som möjliggör och berikar vårt dagliga liv.

För att förstå hur man gör flytande jetspray renare och mer effektiv, fastän, forskare måste fokusera på de små sakerna:Forskare måste observera vätskor som strömmar i atomärer, mikrosekund detalj för att börja förstå en av vetenskapens stora utmaningar — turbulenta rörelser i vätskor.

Experiment fungerar som ett viktigt verktyg för att förstå industriella sprayprocesser, men forskare har alltmer kommit att förlita sig på simulering för att förstå och modellera lagarna som styr det kaotiska, turbulenta rörelser som uppstår när vätskor strömmar snabbt.

Ett team av forskare ledda av prof. Dr. Markus Klein vid Bundeswehr University München (tyska:Universität der Bundeswehr München) förstod att modellering av komplexiteten i turbulens exakt och effektivt kräver högpresterande beräkningar (HPC), och nyligen, teamet använde resurser vid Gauss Center for Supercomputing (GCS) vid Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i Garching nära München för att skapa avancerade flödessimuleringar för att bättre förstå turbulenta vätskerörelser.

"Vårt mål är att utveckla simuleringsprogram som någon kan använda kommersiellt för verkliga tekniska problem, " säger Dr Josef Haßlberger, samarbetspartner i Klein-teamet. Han arbetar tillsammans med samarbetspartnern Sebastian Ketterl i beräkningsprojektet. Teamets forskning valdes nyligen ut för omslaget till Journal of Fluid Mechanics .

Det är en (fler)fas

När forskare och ingenjörer talar om flytande sprayer, det finns lite mer nyans i det än så - de flesta sprayer är faktiskt flerfasfenomen, vilket betyder att någon kombination av en vätska, fast och gas strömmar samtidigt. I sprayer, detta sker vanligtvis genom atomisering, eller brytningen av en flytande vätska till droppar och ligament, så småningom bildar ångor i vissa applikationer.

Forskare måste redogöra för denna flerfasblandning i sina simuleringar med tillräckligt med detaljer för att förstå en del av minuten, grundläggande processer som styr turbulenta rörelser – specifikt, hur droppar bildas, sammansmälta och bryta upp, eller ytspänningsdynamiken mellan vätskor och gaser – samtidigt som den fångar ett tillräckligt stort område för att se hur dessa rörelser påverkar jetsprayer. Droppar bildas och påverkas av turbulenta rörelser, men också ytterligare påverka turbulenta rörelser efter formning, skapar behovet av mycket detaljerad och noggrann numerisk simulering.

När modelleringsvätska strömmar, forskare använder flera metoder. Bland dem, direkta numeriska simuleringar (DNS) erbjuder den högsta graden av noggrannhet, eftersom de börjar utan fysiska uppskattningar om hur en vätska kommer att flöda och återskapar processen "från grunden" numeriskt ner till de minsta nivåerna av turbulent rörelse ("upplösning i Kolmogorov-skala"). På grund av dess höga beräkningskrav, DNS-simuleringar kan bara köras på världens mest kraftfulla superdatorer, som SuperMUC på LRZ.

Ett annat vanligt tillvägagångssätt för att modellera vätskeflöden, stora virvelsimuleringar (LES), gör några antaganden om hur vätskor kommer att flöda i de minsta skalorna, och fokuserar istället på att simulera större volymer vätskor över längre tidsperioder. För LES-simuleringar för att modellera vätskeflöden exakt, de antaganden som är inbyggda i modellen måste förlita sig på kvalitetsdata, därav behovet av DNS-beräkningar.

För att simulera turbulenta flöden, forskarna skapade ett tredimensionellt rutnät med mer än 1 miljard enskilda små celler, lösa ekvationer för alla krafter som verkar på denna vätskevolym, som, enligt Newtons andra lag, ge upphov till acceleration. Som ett resultat, vätskehastigheten kan simuleras i både rum och tid. Skillnaden mellan turbulent och laminär, eller slät, flöden beror på hur snabbt en vätska rör sig, samt hur tjock, eller trögflytande, det är, och förutom storleken på flödesstrukturerna. Sedan satte forskare modellen i rörelse, beräkna vätskeegenskaper från det att det lämnar ett munstycke tills det har brutits upp i droppar.

Baserat på lagets DNS-beräkningar, det började utveckla nya modeller för finskaliga turbulensdata som kan användas för att informera LES-beräkningar, slutligen föra exakta jetspraysimuleringar till en mer kommersiell nivå. LES beräknar energin i stora strukturer, men de minsta skalorna av flödet modelleras, vilket innebär att LES-beräkningar potentiellt ger hög noggrannhet för en mycket mer blygsam beräkningsansträngning.

Flödar åt rätt håll

Även om teamet har gjort framsteg i att förbättra LES-modeller genom en mer grundläggande förståelse av vätskeflöden genom sina DNS-simuleringar, det finns fortfarande utrymme för förbättringar. Medan teamet för närvarande kan simulera atomiseringsprocessen i detalj, den skulle vilja observera ytterligare fenomen som äger rum på längre tidsskalor, såsom avdunstning eller förbränningsprocesser.

Nästa generations HPC-resurser kommer att täppa till gapet mellan DNS-flödeskonfigurationer av akademisk kaliber och verkliga experiment och industriella tillämpningar. Detta kommer att ge upphov till mer realistiska databaser för modellutveckling och kommer att ge detaljerad fysisk inblick i fenomen som är svåra att observera experimentellt.

Dessutom, teamet har mer arbete att göra för att implementera sina förbättringar av LES-modeller. Nästa utmaning är att modellera droppar som är mindre än den faktiska rutstorleken i en typisk simulering med stor virvel, men kan fortfarande interagera med det turbulenta flödet och kan bidra till momentumutbyte och avdunstning.