Динамика пузырьков на удивление сложна, на нее влияют процессы в масштабе от микрометра до миллиметра, а также во временных масштабах от миллисекунд до нескольких секунд. Граница раздела между воздухом внутри пузырька и окружающей жидкостью, а также конечная скорость поднимающихся пузырьков значительно изменяются в зависимости от состава жидкости. Затем, когда пузырек ударяется о твердую поверхность, пленка жидкости, стекающая с твердого тела, может образовывать сложные формы, которые трудно предсказать.
Полное решение этой проблемы потребовало бы решения нелинейных уравнений Навье-Стокса — задача, на выполнение которой даже суперкомпьютеру потребовались бы недели. Так, Роджерио Маника из Института высокопроизводительных вычислений A * STAR и его сотрудники разработали более простую «модель баланса сил», в которой такие силы, как плавучесть и сопротивление, рассматриваются вместе с теорией смазки для моделирования стекающей жидкой пленки.
«Мы стремились предоставить простейшую модель, которая может отражать физику проблемы», — объясняет Маника. «В гидродинамике чаще всего именно знание того, какими эффектами можно пренебречь и какие эффекты следует учитывать, а не грубая компьютерная мощь, которая определяет, может ли модель точно представлять экспериментальные данные».Они использовали реальные данные наблюдений за пузырьками с помощью высокоскоростной камеры, чтобы создать некоторые граничные условия для своих симуляций, и смогли запустить свою упрощенную модель за секунды, используя обычный настольный компьютер.«Наша модель содержит все основные физические компоненты системы, и на самом деле мы были удивлены тем, насколько хорошо она работает по сравнению с экспериментальными данными», — говорит Маника. «Он также обладает большой предсказательной силой, потому что параметры не подходят ни к одному набору данных».Команда надеется, что их результаты откроют возможности для будущих исследований, например, для моделирования взаимодействия между пузырьками и деформируемыми поверхностями.
Это будет включать столкновение пузырьков с разделительной границей между нефтью и водой, что является актуальной проблемой для нефтяной промышленности. Команда также расширит свою модель, чтобы учесть косые удары пузырей и эффекты пузырей, скользящих по поверхности.
Аффилированные с A * STAR исследователи, участвующие в этом исследовании, представляют Институт высокопроизводительных вычислений. Для получения дополнительной информации об исследованиях команды посетите веб-страницу отдела гидродинамики.