08.02.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Schaumströmungen: Was ihre Simulation einfacher macht

Schaumströmungen: Unzählige Blasen einfacher simulierenQuelle: stylefoto24/stock.adobe.com

Das Verhalten von Schaumströmungen ließ sich wegen der enormen Anzahl der beteiligten Blasen bisher schwer berechnen. Ein neues Verfahren soll das nun ändern.

  • Blasen, insbesondere solche in Schaumströmungen, sind für viele industrielle Prozesse wichtig, zum Beispiel in der Herstellung von Lebensmitteln und Kosmetika sowie in der Entwicklung und Verabreichung von Medikamenten.
  • Das Verhalten dieser Schaumströmungen ist jedoch aufgrund der schieren Anzahl der beteiligten Blasen bekanntermaßen schwer zu berechnen.
  • Ein neues Verfahren soll hier nun Abhilfe schaffen.

Bisherige Versuche, Schaumströmungen zu simulieren, beruhten auf dem zeit- und rechenaufwändigen Verfahren der Verfolgung der Blasen durch Farbbeschichtung jeder einzelnen Blase im Schaum. Dadurch beschränkten sich die Simulationen auf einige Dutzend Blasen. In echten Schäumen finden sich jedoch Tausende bis Millionen von Blasen.

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) eine neue Methode entwickelt, um Zehntausende von Blasen in Schaumströmungen zu simulieren und damit die Rechenkomplexität dieses langjährigen Verfahrens zu überwinden. Die Forschungsergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.

„Diese neue Methode ermöglicht es uns zum ersten Mal, Schäume mit vielen Blasen zu untersuchen und öffnet die Tür für die Simulation einer Vielzahl von Strömungen von der Mikro- bis zur Makroskala, einschließlich nasser Schäume, turbulenter Strömungen mit Blasen, Suspensionen und Emulsionen in der Mikrofluidik“, sagte Petros Koumoutsakos, der Herbert S. Winokur, Jr. Professor für Ingenieur- und angewandte Wissenschaften am SEAS und Hauptautor der Studie.

Simulation vieler Formen von Schaumströmungen

Anstatt jede einzelne Blase farbig zu beschichten, unterteilten die Forscher den Schaum in ein Gitter. Dabei enthält jede Zelle des Gitters höchstens einen Teil von vier Blasen. Jede Blase innerhalb der Zelle ist mit einer Farbe beschichtet, entweder gelb, grün, blau oder rot.

„Wenn ich vier Teilblasen in einer Zelle habe, muss sich der Rest der Blasen in den benachbarten Zellen befinden“, sagt Petr Karnakov, Doktorand am SEAS und Erstautor der Arbeit. „Wir haben einen Algorithmus entwickelt, der in andere Zellen gehen und die verbleibenden Teile der Blase finden kann, indem er Grün mit Grün, Blau mit Blau usw. vergleicht. Anstatt Millionen von Farben braucht man also nur vier“.

Diese Fähigkeit ermöglicht prädiktive Simulationen in Größenordnungen, die von der Mikrofluidik bis zu Druckwellen reichen. „Unser neuer Ansatz ermöglicht groß angelegte Vorhersagesimulationen von Strömungen mit mehreren Grenzflächen“, sagt Sergey Litvinov, Postdoktorand an der ETH Zürich.

Wie der Unterschied zwischen einem Gemälde und einem Puzzle

Der Unterschied zwischen allen bisherigen Ansätzen und dem von Koumoutsakos, Karnakov und Litvinov entwickelten neuen Ansatz lässt sich mit dem Unterschied zwischen einem Gemälde und einem Puzzle vergleichen. Ein Gemälde wird in mühevoller Kleinarbeit Strich für Strich erstellt, während ein Puzzle auf Geometrie und passenden Farben beruht.

Als Nächstes wollen die Forschenden mit Experimentalphysikern und Industriepartnern zusammenarbeiten. Somit wollen sie herausfinden, wie die Methode im medizinischen Bereich und in der Lebensmittelindustrie sowie bei der membranlosen Elektrolyse für Energieanwendungen eingesetzt werden kann.

Die Forschung wurde vom Schweizerischen Nationalfonds im Rahmen des Projekts CRSII5_17386 finanziert.

Die Autoren stellen eine Referenzimplementierung als Teil der Open-Source-Software Aphros sowie weitere Videos und interaktive Demonstrationen der Methode zur Verfügung.

Video: https://youtu.be/PPBw4e5JXUI

Weitere Informationen: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0590

Erfahren Sie hier mehr über die Strömungsdynamik der Schäume.

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