Это фундаментальное неравновесное явление известно как «созревание Оствальда», и хотя оно наиболее известно по своей роли в газированных напитках, оно также наблюдается в широком спектре научных систем, включая спиновые системы, пену и металлические сплавы.В гораздо большем масштабе созревание Оствальда можно наблюдать в энергетической турбине. Большинство электростанций полагаются на бойлеры для преобразования воды в пар, но соответствующий фазовый переход очень сложен.
Во время фазового перехода никто точно не знает, что происходит внутри котла — особенно, как образуются пузырьки.Поэтому команда исследователей из Токийского университета, Университета Кюсю и RIKEN в Японии решила найти ответ. В «Журнале химической физики» от AIP Publishing исследователи описывают, как им удалось смоделировать зарождение пузырьков на молекулярном уровне, используя компьютер K в RIKEN, самой мощной системе в Японии.В основе их работы лежало моделирование молекулярной динамики.
Основная идея этих симуляций — поместить несколько виртуальных молекул в коробку, назначить им начальные скорости и изучить, как они продолжают двигаться, используя закон движения Ньютона для определения их положения во времени. По словам Хироши Ватанабе, научного сотрудника Института физики твердого тела Токийского университета, при этом возникли серьезные проблемы.«Однако для имитации пузырей необходимо огромное количество молекул — для создания пузыря требуется порядка 10 000», — сказал Ватанабэ. «Таким образом, нам нужно было по крайней мере это количество, чтобы исследовать сотни миллионов молекул — подвиг, невозможный на одном компьютере».
Команда фактически смоделировала колоссальные 700 миллионов частиц, следуя их коллективным движениям через миллион временных шагов — подвиг, которого они достигли, выполнив массовое параллельное моделирование с использованием 4000 процессоров на компьютере K. Насколько им известно, это было первое моделирование для исследования многопузырьковых ядер без каких-либо искусственных условий.«В прошлом, хотя многие исследователи хотели исследовать пузырьковые ядра с молекулярного уровня, это было сложно из-за недостатка вычислительной мощности», — пояснил Ватанабе. «Но теперь во всем мире доступно несколько петафакторных компьютеров — систем, способных достигать производительности, превышающей один квадриллион операций в секунду, что позволяет проводить масштабные симуляции».Ключевой вывод команды?
Временная эволюция пузырей хорошо описывается классической теорией, разработанной в 1960-х годах, математической структурой, названной «теорией LSW» в честь трех ее разработчиков — Лифшифта и Слезова в Советском Союзе и Вагнера в Германии. Хотя было показано, что теория LSW верна для других систем, таких как кристаллы льда, растущие в так называемом мороженом, обожженном в морозильной камере, до этой работы никто никогда не доказывал, что она также работает для описания пузырьков газа в жидкости.«В то время как скорость зародышеобразования капель при конденсации хорошо предсказывается классической теорией, предсказываемые теорией скорости зарождения пузырьков в перегретой жидкости заметно отличаются от значений, наблюдаемых в экспериментах», — сказал Ватанабе. «Таким образом, мы ожидали, что классическая теория не сможет описать пузырьковые системы, но были удивлены, обнаружив, что она верна».
Другими словами, хотя Ватанабе и его коллеги надеялись, что их моделирование даст ключи, которые помогут прояснить, почему классическая теория не может предсказать скорость зарождения пузырьков, это остается загадкой.Что касается результатов работы команды, более глубокое понимание поведения пузырей очень важно для области инженерии, потому что это может позволить проектировать более эффективные электростанции или пропеллеры.
Что ждет исследователей дальше? После изучения кавитации они теперь переключаются на кипение. «Пузырьки появляются, когда жидкость нагревается до« кипения »или как« кавитация », когда давление жидкости уменьшается», — сказал Ватанабе. «Моделирование кипения на молекулярном уровне сложнее, чем кавитация, но это даст нам новые знания, которые можно будет напрямую применить для разработки более эффективных динамо-машин».
Команда также нацелена на полимерный раствор. «Поверхностно-активные вещества делают пузыри стабильными, а пеногасители — нестабильными», — добавил он. «Последние достижения в области вычислительной мощности позволят нам моделировать подобные сложные системы на молекулярном уровне».