Olie og vand blandes virkelig-simulerer verden af ​​mikrohydrodynamiske fænomener

Har du nogensinde spekuleret over, hvorfor mælk er så hvid, eller hvorfor mayonnaise ser så tyk ud, og alligevel kan den flyde ud af flasken?

Er du klar over, at disse sådanne stoffer bare er olie og vand blandet sammen, selvom de ligner og føles som ingen af ​​dem?

Det viser sig, at disse dejlige små mysterier ofte forårsager store hovedpine for kemiske ingeniører, der designer en shampoo -produktionsproces eller driver et olieindvindingsanlæg i Nordsøen. IBM Research and the Science and Technology Facilities Council's (STFC) Hartree Center bruger matematik og højtydende computing til at hjælpe disse ingeniører med at forstå videnskaben bag denne gåde.

At forstå kolloiders adfærd - makroskopisk blanding af uopløselige partikler - er fortsat en udfordrende opgave af enorm praktisk betydning. Vi finder systemer rundt omkring os, i disse tilsyneladende hverdagslige produkter såsom mælk, mayonnaise eller shampoo, gennem daglige vejrhændelser som tåge, skyer eller (ak!) forurening, op til store industrielle processer inden for kemiteknik. Ofte udviser disse blandinger nogle overraskende adfærd, hvor helheden er mere end blot en sum af delene. Den videnskabelige forskning på dette område har en lang og berømt historie, men den nylige tilføjelse af HPC til vores videnskabelige værktøjskasse giver os mulighed for at undersøge tilfælde, der enten er for vanskelige til klassisk analyse eller for dyre til eksperimentering.

Forskere ved IBM og Hartree Center arbejder sammen for at bygge matematiske modeller og computerprogrammer, der gør det muligt at studere kolloid dynamik i detaljer. Kompleksiteten ved modellering af disse strømme kommer fra tilstedeværelsen af ​​flere grænseflader mellem ikke -blandbare faser (da de ikke danner en enkelt væske), bred vifte af skalaer og i tilfælde af væske- eller gasdispersioner deformerer konstant former. For eksempel ved en væskestråleopbrud, strålen kan være mange gange større end dråberne på grund af primær og sekundær sammenbrud og samtidig mange gange mindre end blandingsenhedens geometriske dimensioner. En direkte opløsning af alle disse skalaer ville resultere i for store beregningsomkostninger, som får os til at søge alternativer i form af forskellige modelleringsstrategier i flere målestokke.

Derfor, sammen med mine kolleger arbejder jeg på skalerbare teknikker til nøjagtigt at løse detaljerne i sådanne strømme såvel som deres effektive makroskopiske egenskaber såsom blandingsviskositeter, gennemsnitlige faldstørrelser, interfacial drag osv. De direkte numeriske simuleringer udføres kun for små dele af det komplette domæne, og den automatiske efterbehandling udtrækker information om foruddefinerede karakteristiske træk og identificerer det overordnede flowregime. Modelleringen af ​​det fulde system kan derefter anvende de identificerede relationer som lukningslove eller randbetingelser. Den intuitive begrundelse for denne strategi er, at karakteristiske træk i det væsentlige er gentagne og ikke behøver at blive løst overalt.

Kemiske ingeniører, afhængigt af konteksten, ønsker måske at minimere eller maksimere blandingseffektiviteten af ​​deres procesanlæg. For at besvare deres spørgsmål, vi skal være i stand til at anvende vores fund fra de detaljerede undersøgelser i modeller af meget større systemer. Derfor arbejder vi også på nye kodekoblingsmetoder, der muliggør dataudveksling mellem simuleringskoder, der fungerer på forskellige rumlige skalaer.

Den sidste komponent er en visualiseringsramme, der implementerer datacentriske principper for at undgå overdreven belastning af disk input/output og give lydhørhed for et desktop-lignende program. Kombinationen af ​​at køre flere simuleringer med samtidig visualisering er velegnet til mulighederne i moderne heterogene computerklynger.

Samlet set, videnskaben og teknologien, der arbejder sammen, kan levere en langt mere omfattende måde at studere fænomener på flere skalaer relateret til kolloidale dispersioner. De største fordele er muligheden for at forfine modeller, der bruges på ingeniørniveau med resultater fra detaljerede simuleringer og mulighed for at udforske nye flowregimer. Så næste gang du vasker dit hår, prøv at værdsætte, hvordan videnskab, eksperimenter, matematik og HPC bidrager til at lave den perfekte blanding.