Nowy model dokładnie prognozuje przepływ cienkich warstw
Pojęcie przepływu cienkich warstw odnosi się do zachowania cienkich warstw płynu, które rozchodzą się, pokrywają lub przepływają po powierzchni ciała stałego. Zjawisko to jest wykorzystywane w szeregu zastosowań w różnych sektorach, od biomedycyny po motoryzację. Badanie przebiegu przepływu cienkowarstwowego w sposób doświadczalny jest czasochłonne i kosztowne, dlatego zamiast tego stosuje się w tym celu modelowanie obliczeniowe. Jednak zadanie to utrudnia złożoność wzajemnych oddziaływań podczas przepływu. „Po pierwsze, trudno jest zmierzyć wpływ napięcia na styku płynu i powierzchni oraz płynu i powietrza. Po drugie, trudność w doświadczalnym scharakteryzowaniu cienkich warstw w małych skalach sprawia, że trudno jest zweryfikować jakikolwiek model”, wyjaśnia Pratik Suchde, główny badacz finansowanego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie” projektu SURFING z Uniwersytetu Luksemburskiego, pełniącego rolę gospodarza projektu. Suchde stworzył nowatorski model obliczeniowy zaprojektowany z myślą o symulacjach przepływu cienkowarstwowego, który udało się z powodzeniem zademonstrować w scenariuszach przemysłowych w branży motoryzacyjnej i przetwórstwa żywności.
Rozwój modelu
Po przeanalizowaniu kluczowych założeń, na których opierają się istniejące modele przepływu cienkowarstwowego, Suchde zidentyfikował niektóre z nich, które ograniczały możliwość ich zastosowania w praktyce. Następnie jego zespół opracował specjalny model zakładający cienką warstwę płynu złożoną z wielu kropelek płynu, które łączą się w grupy. Grubość cienkiej warstwy wzrasta następnie w oparciu o rozkład kropelek. Obliczając siły wywierane na każdą kropelkę, zespół doszedł do równania (podobnego do równania pędu Cauchy’ego), które można wykorzystać jako podstawę do obliczenia późniejszego przebiegu przepływu płynu. Model podzielono na trzy części, z których każdą poddano niezależnej weryfikacji. Pierwszą z nich zweryfikowano w oparciu o dane doświadczalne, do drugiej zastosowano przybliżenia teoretyczne, podczas gdy trzecią część zweryfikowano w oparciu o istniejące modele opisane w literaturze. „Dodatkowo cały model został zweryfikowany pod kątem symulacji przepływu płynu wymagających znacznych mocy obliczeniowych, ustanawiając punkt odniesienia, który nie opiera się na przybliżeniach dotyczących cienkich warstw. W ten sposób uzyskaliśmy także kompleksową wiedzę na temat tego, w jaki sposób współdziałają ze sobą trzy zweryfikowane części modelu”, dodaje Suchde.
Symulacje potwierdzające poprawność zastosowania
Mając na uwadze przemysł motoryzacyjny, zespół projektu SURFING był szczególnie zainteresowany kwestią smarowania skrzyń biegów, do którego w celu zmniejszenia zużycia, tarcia i ciepła generowanego między kołami zębatymi zazwyczaj stosuje się ciecze na bazie oleju. Obecne modele cienkowarstwowe zwykle zakładają w pełni rozprowadzoną warstwę płynu między zębami przekładni, ale w niektórych sytuacjach (na przykład gdy środek smarny jest wprowadzany po jego całkowitym zużyciu), kluczowe jest również modelowanie tworzenia cienkiej warstwy płynu. Korzystając z danych dostarczonych przez partnerów przemysłowych, zespół projektu SURFING był w stanie stworzyć dokładny model tego procesu. Uwagę poświęcono również branży przetwórstwa żywności, w szczególności wykorzystaniu natryskiwanych strumieniowo płynów czyszczących na bazie wody do usuwania resztek żywności z dużych tac. Ponownie wykorzystując dane przekazane przez partnera przemysłowego, zespół projektu SURFING najpierw wykorzystał modelowanie przepływu masowego płynu do symulacji strumienia płynu czyszczącego. Gdy symulowany strumień uderzał w tacę, algorytmy modelu SURFING automatycznie wykrywały tworzenie się cienkiej warstwy i przestawiały się z przepływu masowego na modelowanie cienkowarstwowe. „Nasz nowy model pozwala na symulowanie tego rodzaju złożonych przypadków ze znacznie wyższą wydajnością niż istniejące metody. To zarazem pierwsza taka sytuacja w dziedzinie symulacji przepływu płynów, w której model wykazuje możliwości tak dynamicznej adaptacji”, mówi Suchde.
Optymalizacja procesów przemysłowych
Metoda modelowania opracowana w ramach projektu SURFING może pomóc skrócić cykle rozwoju przemysłowego, oszczędzając pieniądze producentów, a docelowo także konsumentów. Dodatkowo ulepszone konstrukcje mogą przyczynić się do obniżenia kosztów konserwacji. Prawdopodobnie przełoży się to również na szereg korzyści dla środowiska. Zwiększona sprawność czyszczenia w sektorze przetwórstwa żywności może na przykład ograniczyć zużycie energii, jednocześnie minimalizując ilość odpadów. Zespół pracuje obecnie nad poprawą osiągów i wydajności procesu modelowania, jednocześnie nadal badając zakres możliwych zastosowań komercyjnych.
Słowa kluczowe
SURFING, płyn, przepływ, model, powierzchnia ciała stałego, symulacje, motoryzacja, przetwórstwo żywności
