Компьютерный код точно предсказывает распад капель в турбулентных потоках

Прочитано: 104 раз(а)


Новые компьютерные симуляции могут пойти туда, где эксперименты достигают своих пределов. Ученые из Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета разработали компьютерный код, позволяющий точно прогнозировать разрушение капель в турбулентных потоках.

Удивительно, но это показывает, что нет момента времени, когда жидкая капля не может разбиться на еще более мелкие капли. Результаты опубликованы в журнале Science Advances , а компьютерный код с открытым исходным кодом теперь доступен другим ученым.

Распад капель и пузырьков хаотическими завихрениями в турбулентности является обычным явлением в повседневной жизни : при принятии душа или использовании пульверизатора для распыления жидкости в воздухе или в океане, когда пузырьки газа образуются при разрушении волн воды. Каплеобразование также играет ключевую роль в производстве косметики, лекарств и пищевых продуктов, в частности, когда речь идет о смешивании жидкостей, которые естественным образом не хотят смешиваться, таких как масло и яичный желток в майонезе. Но сколько времени нужно перемешивать, чтобы приготовить вкусный майонез?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо более глубокое понимание самого явления распада: в какой момент капля или пузырь действительно распадаются на более мелкие части? Достигает ли распад окончательного состояния, в котором капли настолько малы, что больше не расщепляются?

На сегодняшний день эти вопросы изучаются в основном в экспериментах, но отследить капли в турбулентной среде крайне сложно. Кроме того, требуется большой объем данных измерений, чтобы сделать статистически достоверные выводы о процессе фрагментации. Еще больше усложняет ситуацию то, что в экспериментах необходимо учитывать множество параметров, таких как выбранный тип жидкости и ее свойства (т. е. плотность и поверхностное натяжение ) или размер капель и степень турбулентности потока .

Как следствие, имеющиеся данные о дроблении капель и пузырьков в турбулентных течениях немногочисленны, что ограничивает более глубокое понимание явления и затрудняет прогнозы.

Капли ведут себя иначе, чем считалось ранее

Новый компьютерный код, разработанный доктором Альберто Вела-Мартином из ZARM Бременского университета, теперь способен моделировать тысячи экспериментальных сценариев распада капель. Основные результаты нового моделирования заключаются в том, что процесс фрагментации капли не достигает конечного состояния, а — в отличие от того, что считалось ранее — только замедляется и продолжается в течение длительного времени. Поэтому постулируемого до сих пор минимального стабильного размера капли (зависящего от соответствующих характеристик жидкости и степени турбулентности потока), при котором капля не дробилась бы дальше, по-видимому, не существует.

Кроме того, моделирование показало, что вероятность того, что турбулентность разорвет каплю или пузырек, одинакова в любой момент времени. Таким образом, отдельная капля не «знает», как долго она находилась в турбулентном потоке, она, так сказать, «не имеет памяти». Возвращаясь к примеру с майонезом, что означают новые результаты? Чем дольше вы размешиваете майонез, тем более кремовым он становится — вам просто нужно много терпения.

Компьютерный код точно предсказывает распад капель в турбулентных потоках



Новости партнеров