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Bursting für eine Seifenlösung

Anonim

Blasen sind ein wesentlicher Bestandteil vieler industrieller Anwendungen, einschließlich Schaumbildung, Wasserreinigung und Öl- und Gasextraktion. Um die Auswirkungen von Blasen in diesen Systemen zu verstehen, haben Forscher der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (A * STAR), Singapur, ein Computermodell entwickelt, das genau vorhersagt, wie sie durch Flüssigkeiten aufsteigen und auf feste Oberflächen treffen.

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Die Dynamik von Blasen ist überraschend komplex, beeinflusst durch Prozesse auf Mikrometer- bis Millimeter-Längenskalen und auf Zeitskalen von Millisekunden bis zu mehreren Sekunden. Die Grenzfläche zwischen der Luft innerhalb einer Blase und der umgebenden Flüssigkeit und die Endgeschwindigkeit von aufsteigenden Blasen ändern sich beträchtlich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Flüssigkeit. Wenn dann eine Blase auf eine feste Oberfläche trifft, kann der Flüssigkeitsfilm, der von dem Feststoff abfließt, komplizierte Formen bilden, die schwierig vorherzusagen sind.

Eine vollständige Lösung dieses Problems würde die Lösung der nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen erfordern - eine Aufgabe, die selbst ein Supercomputer noch Wochen in Anspruch nehmen würde. Rogerio Manica vom A * STAR Institut für Hochleistungsrechnen und Mitarbeiter entwickelten ein einfacheres "Kräftegleichgewichtsmodell", in dem Kräfte wie Auftrieb und Widerstand zusammen mit der Schmierungstheorie berücksichtigt werden, um den entwässernden Flüssigkeitsfilm zu modellieren.

"Wir wollten das einfachste Modell liefern, das die Physik des Problems erfassen kann", erklärt Manica. "In der Fluiddynamik ist es meist das Wissen, welche Effekte vernachlässigt werden können und welche Effekte statt brachialer Computerleistung enthalten sein sollten, die bestimmen, ob ein Modell experimentelle Daten genau darstellen kann."

Sie verwendeten reale Daten von Hochgeschwindigkeitskamera-Beobachtungen von Blasen, um einige Randbedingungen für ihre Simulationen bereitzustellen, und konnten ihr vereinfachtes Modell in Sekunden mit einem normalen Desktop-Computer ausführen.

"Unser Modell enthält alle wichtigen physikalischen Bestandteile des Systems, und tatsächlich waren wir überrascht, wie gut es im Vergleich zu experimentellen Daten funktioniert", sagt Manica. "Es hat auch eine große Vorhersagekraft, weil die Parameter nicht an einen Datensatz angepasst sind."

Das Team hofft, dass ihre Ergebnisse Möglichkeiten für zukünftige Forschung eröffnen, zum Beispiel die Modellierung der Wechselwirkung zwischen Blasen und verformbaren Oberflächen. Dies würde beinhalten, dass Blasen mit der Trenngrenze zwischen Öl und Wasser kollidieren, ein dringendes Problem für die Ölindustrie. Das Team wird auch sein Modell erweitern, um schräge Auswirkungen von Blasen und die Auswirkungen von Blasen, die entlang einer Oberfläche gleiten, zu berücksichtigen.

Die mit A * STAR verbundenen Forscher, die an dieser Forschung beteiligt sind, stammen vom Institute of High Performance Computing. Weitere Informationen über die Forschung des Teams finden Sie auf der Website der Abteilung für Fluiddynamik.

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Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (A * STAR) . Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.


Zeitschriftenreferenz :

  1. Rogerio Manica, Evert Klaseboer, Derek YC Chan. Modell der Kraftbalance für Bubble Rise, Impact und Bounce von Solid Surfaces . Langmuir, 2015; 31 (24): 6763 DOI: 10.1021 / acs.langmuir.5b01451