Qu'il s'agisse de concevoir la méthode la plus efficace pour l'injection de carburant dans les moteurs, construire des machines pour arroser des hectares de terres agricoles, ou peindre une voiture, les humains comptent sur les sprays liquides pour d'innombrables processus industriels qui permettent et enrichissent notre vie quotidienne.

Pour comprendre comment rendre le jet liquide plus propre et plus efficace, bien que, les chercheurs doivent se concentrer sur les petites choses :les scientifiques doivent observer les fluides s'écoulant dans l'atome, détail de la microseconde afin de commencer à comprendre l'un des grands défis de la science :le mouvement turbulent des fluides.

Les expérimentations sont un outil important pour comprendre les procédés de pulvérisation industrielle, mais les chercheurs s'appuient de plus en plus sur la simulation pour comprendre et modéliser les lois régissant le chaotique, mouvements turbulents qui se produisent lorsque les fluides s'écoulent rapidement.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Markus Klein de l'Université de la Bundeswehr de Munich (en allemand :Universität der Bundeswehr München) a compris que la modélisation précise et efficace des complexités de la turbulence nécessite un calcul haute performance (HPC), et récemment, l'équipe a utilisé les ressources du Gauss Center for Supercomputing (GCS) du Leibniz Supercomputing Center (LRZ) à Garching près de Munich pour créer des simulations d'écoulement haut de gamme afin de mieux comprendre le mouvement des fluides turbulents.

"Notre objectif est de développer un logiciel de simulation que quelqu'un peut appliquer commercialement pour de vrais problèmes d'ingénierie, " dit le Dr Josef Haßlberger, collaborateur de l'équipe Klein. Il travaille avec son collaborateur Sebastian Ketterl sur le projet informatique. La recherche de l'équipe a récemment été choisie pour la couverture du Journal de mécanique des fluides .

C'est une (multi)phase

Quand les scientifiques et les ingénieurs parlent de sprays liquides, il y a un peu plus de nuances que cela - la plupart des pulvérisations sont en fait des phénomènes multiphasiques, ce qui signifie qu'une combinaison d'un liquide, le solide et le gaz s'écoulent en même temps. En sprays, cela se produit généralement par atomisation, ou la rupture d'un fluide liquide en gouttelettes et en ligaments, formant éventuellement des vapeurs dans certaines applications.

Les chercheurs doivent rendre compte de ce mélange multiphasique dans leurs simulations avec suffisamment de détails pour en comprendre une partie de la minute, processus fondamentaux régissant les mouvements turbulents, en particulier, comment se forment les gouttelettes, fusion et rupture, ou la dynamique de la tension superficielle entre les liquides et les gaz, tout en capturant une zone suffisamment grande pour voir comment ces mouvements ont un impact sur les jets de pulvérisation. Les gouttelettes sont formées et influencées par un mouvement turbulent, mais aussi influencer davantage le mouvement turbulent après la formation, créant le besoin d'une simulation numérique très détaillée et précise.

Lors de la modélisation des écoulements de fluide, les chercheurs utilisent plusieurs méthodes. Parmi eux, les simulations numériques directes (DNS) offrent le plus haut degré de précision, car ils commencent sans approximations physiques sur la façon dont un fluide s'écoulera et recrée le processus "à partir de zéro" numériquement jusqu'aux plus petits niveaux de mouvement turbulent (résolution à l'échelle de Kolmogorov). En raison de ses exigences de calcul élevées, Les simulations DNS ne peuvent fonctionner que sur les supercalculateurs les plus puissants du monde, comme SuperMUC à LRZ.

Une autre approche courante pour la modélisation des écoulements de fluides, simulations de grands tourbillons (LES), fait des hypothèses sur la façon dont les fluides s'écouleront aux plus petites échelles, et se concentre plutôt sur la simulation de plus grands volumes de fluides sur de plus longues périodes de temps. Pour que les simulations LES modélisent avec précision les écoulements de fluides, les hypothèses intégrées au modèle doivent s'appuyer sur des données d'entrée de qualité, d'où la nécessité de calculs DNS.

Pour simuler des écoulements turbulents, les chercheurs ont créé une grille tridimensionnelle avec plus d'un milliard de petites cellules individuelles, résoudre des équations pour toutes les forces agissant sur ce volume de fluide, lequel, selon la deuxième loi de Newton, donner lieu à une accélération. Par conséquent, la vitesse du fluide peut être simulée à la fois dans l'espace et dans le temps. La différence entre turbulent et laminaire, ou lisse, le débit dépend de la vitesse à laquelle un fluide se déplace, ainsi que l'épaisseur, ou visqueux, il est, et en plus de la taille des structures d'écoulement. Ensuite, les chercheurs mettent le modèle en mouvement, calculer les propriétés du liquide à partir du moment où il quitte une buse jusqu'à ce qu'il se brise en gouttelettes.

Sur la base des calculs DNS de l'équipe, il a commencé à développer de nouveaux modèles pour les données de turbulence à petite échelle qui peuvent être utilisés pour éclairer les calculs LES, amenant finalement des simulations de pulvérisation de jet précises à un niveau plus commercial. LES calcule l'énergie des grandes structures, mais les plus petites échelles de l'écoulement sont modélisées, ce qui signifie que les calculs LES offrent potentiellement une grande précision pour un effort de calcul beaucoup plus modeste.

Circuler dans la bonne direction

Bien que l'équipe ait progressé dans l'amélioration des modèles LES grâce à une compréhension plus fondamentale des écoulements de fluide grâce à ses simulations DNS, il y a encore place à amélioration. Alors que l'équipe peut actuellement simuler le processus d'atomisation en détail, il aimerait observer des phénomènes supplémentaires se déroulant à des échelles de temps plus longues, tels que les processus d'évaporation ou de combustion.

Les ressources HPC de nouvelle génération combleront le fossé entre le DNS de calibre universitaire des configurations de flux et les expériences réelles et les applications industrielles. Cela donnera lieu à des bases de données plus réalistes pour le développement de modèles et fournira un aperçu physique détaillé des phénomènes difficiles à observer expérimentalement.

En outre, l'équipe a encore du travail à faire pour mettre en œuvre ses améliorations aux modèles LES. Le prochain défi consiste à modéliser des gouttelettes qui sont plus petites que la taille réelle de la grille dans une simulation typique de grands tourbillons, mais peut toujours interagir avec l'écoulement turbulent et peut contribuer à l'échange de quantité de mouvement et à l'évaporation.