Straalverstuiving nu snel en exact te calculeren

Vernevelen lukt ons wel, maar om een vloeistofstraal schoon en efficiënt te maken, moeten onderzoekers begrijpen hoe de vloeistof zich gedraagt op atomair niveau. Uiteraard kan experimenteel worden vastgesteld wat werkt, maar om verder te optimaliseren, vertrouwen onderzoekers steeds vaker op simulatie met computermodellen. Het team in München, dat zelf gebruik maakt van het Gauss Centre for Supercomputing in Garching, werkt nu aan marktrijpe simulatiesoftware waarmee elke engineer betrouwbare berekeningen kan maken.

Vloeibare sprays bestaan eigenlijk uit een mix van vloeistofdeeltjes, vaste deeltjes en gas. Dit mengsel stroomt als een geheel naar de spuitmond, waar het wordt opgebroken in druppeltjes, ligamenten, en soms damp. Om goed te vernevelen, moet de engineer begrijpen hoe dit proces in zijn werk gaat, vooral voor wat betreft het vormen en uiteen vallen van druppeltjes en de oppervlaktespanning die de interacties tussen de vloeistoffen en gassen beïnvloedt. Een lastige factor is dat de druppelvorming sterk samenhangt met de turbulentie, waarbij beide elkaar beïnvloeden.

De betrouwbaarste manier om een vloeistofstroom te modelleren, is DNS (direct numerical simulations). Hierbij start de onderzoeker zonder enige aanname en recreëert het proces numeriek tot in het kleinste detail. Dit kan alleen op de supercomputer.

Een andere mogelijkheid (large-eddy simulations, LES) is om een aantal aannames te doen over het stroomgedrag op het kleinste niveau en vervolgens te rekenen aan de grotere stroom. Dit werkt echter alleen als de aannames zijn gebaseerd op hoogwaardige data; met andere woorden: als er DNS materiaal voorhanden is om uit te putten.

De onderzoekers hebben nu een 3D grid gemaakt dat bestaat uit meer dan een miljard cellen en dat vergelijkingen oplost voor alle krachten die volgens Newtons tweede wet aanleiding geven tot een versnelling in de vloeistof. Hierdoor kunnen de versnellingen worden gesimuleerd in ruimte en tijd. Het verschil tussen turbulentie en gelijkmatige stroming hangt af van de viscositeit van het materiaal, de stroomsnelheid, en de afmetingen van de stroomstructuur. Het model berekent vervolgens de eigenschappen vanaf het moment dat de vloeistof de spuitmond verlaat tot het moment dat hij is verneveld.

Het team kan de verneveling nu accuraat voorspellen, maar wil eigenlijk ook nog weten hoe het staat met de verdamping en eventuele verbranding. Ook kan het het gedrag nog niet voorspellen van druppeltjes die kleiner zijn dan het grid. Tot slot moet het model nog geschikt worden gemaakt voor dagelijks gebruik in een industriële setting.

Flow topologies in primary atomization of liquid jets: a direct numerical simulation analysis