Simulazione della formazione di schiuma fessurata

Quando si gusta un cappuccino, quasi nessuno pensa a come le bolle create nel latte schiumato possano essere simulate da un supercomputer. Gli amanti del caffè non si rendono conto che si tratta di un problema complesso su cui scienziati e ingegneri stanno lavorando da anni. Finora è stato possibile simulare solo un numero limitato di poche decine di gocce e bolle, perché le simulazioni realistiche sarebbero troppo onerose in termini di calcolo e di costi. Tuttavia, simulazioni realistiche potrebbero facilitare notevolmente la produzione di emulsioni e schiume con le proprietà desiderate, ad esempio nella produzione di alimenti o cosmetici.

Al team si è aggiunto Petros Koumoutsakos, professore di scienze computazionali all'Università di Zurigo. ETH di Zurigo e il pagina esternaUniversità di Harvard,Insieme al dottorando Petr Karnakov e al ricercatore post-dottorando Sergey Litvinov, i ricercatori hanno affrontato la sfida di simulare realisticamente schiume e gocce in movimento. Basandosi su un metodo esistente, i ricercatori hanno sviluppato una procedura efficiente in grado di simulare schiume - da minuscoli dispositivi microfluidici a cascate scroscianti - compresi i processi fisici delle loro bolle interagenti. Il metodo è stato appena presentato sulla rivista "Science Advances".

Le schiume sono onnipresenti

Le schiume sono costituite da innumerevoli bolle separate l'una dall'altra da una sottile pellicola di liquido. Sono presenti anche in quantità minime di liquido, i cosiddetti microfluidi, o come elemento strutturale in natura. Ad esempio, insetti come le cicale schiumano le loro uova in un rivestimento di schiuma su steli e foglie delle piante per proteggersi. Le schiume prodotte artificialmente sono utilizzate in medicina per applicare ingredienti farmaceutici attivi sulla pelle o sulle mucose. L'industria schiuma le materie plastiche per produrre, ad esempio, spugne per la pulizia o materiali isolanti.

Il metodo classico per la simulazione di tali processi è il cosiddetto metodo del volume del fluido (VOF), in cui le singole bolle di schiuma vengono calcolate utilizzando una griglia. Ciò richiede una procedura speciale per evitare che due bolle che si trovano nella stessa cella della griglia vengano erroneamente considerate come collegate. A tal fine, i ricercatori utilizzano i cosiddetti campi di frazione di volume individuale per calcolare le singole bolle. Tuttavia, lo sforzo computazionale associato è proporzionale al numero di bolle nella simulazione - ed è quindi così elevato anche per piccoli sistemi costituiti da poche centinaia di bolle che non può essere risolto nemmeno con le attuali architetture di supercomputer, scrivono i ricercatori guidati da Koumoutsakos.

Il suo metodo ora riassume diversi campi di frazione di volume, il che significa che il numero di campi da calcolare rimane costante, indipendentemente dal numero di bolle. Ciò significa che il costo della simulazione non dipende più dal numero di bolle da simulare.

Simulazione con migliaia di bolle possibile

Il nuovo metodo - chiamato Multi-VOF - prende in considerazione non singoli ma diversi strati di campi di frazione di volume e contrassegna le bolle con colori per distinguerle. Ciò consente ai ricercatori di ridurre la complessità dei calcoli. "Se ho quattro bolle parziali in una cella, il resto delle bolle deve trovarsi nelle celle vicine", spiega Petr Karnakov, primo autore dello studio. "Abbiamo sviluppato un algoritmo che può andare in altre celle e trovare le parti rimanenti delle bolle confrontando il verde con il verde, il blu con il blu e così via. Così, invece di milioni di colori per le singole bolle, ne bastano quattro". Di conseguenza, il nuovo metodo VOF multistrato sviluppato dagli scienziati supera gli ostacoli precedenti. "Il nuovo algoritmo intelligente consente per la prima volta di effettuare simulazioni con migliaia di bolle, un aspetto importante per l'industria", afferma Koumoutsakos.

Utilizzando questo metodo su "Piz Daint", il supercomputer del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS), i ricercatori sono riusciti a simulare realisticamente un numero senza precedenti di 20.000 bolle interagenti che non si fondono tra loro. Hanno effettuato simulazioni della formazione di schiuma in varie configurazioni e le hanno convalidate utilizzando i dati sperimentali esistenti: Formazione di bolle in pagina esternaMicrofluidi Dispositivi, bolle che si raccolgono in una pozza d'acqua per formare un pagina esternaCluster e la formazione di bolle in un pagina esternaCascata in miniatura (guarda i video).

Secondo i ricercatori, il nuovo algoritmo è facile da implementare nel software esistente e la sua efficienza consente studi approfonditi sul controllo e l'ottimizzazione dei flussi di bolle. Inoltre, il nuovo metodo è compatibile con i metodi esistenti e cattura processi complessi, come la rottura o la fusione delle bolle, senza ulteriori sforzi. Gli scienziati sono convinti che il metodo multi-VOF consentirà in futuro di simulare realisticamente un'ampia varietà di flussi.

Questo articolo di Simone Ulmer è apparso per la prima volta sul sito web dell'ETH di Zurigo.pagina esternaCSCS.