Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

Homogenizacja numeryczna miękkich materiałów porowatych i granicy faz

Zwykle obliczenia związane z miękkimi materiałami porowatymi i granicami faz są przeprowadzane z użyciem prostych modeli fenomenologicznych. Unijni naukowcy zaproponowali nowy, oparty na homogenizacji model numeryczny, w którym właściwości makroskopowe są szacowane na podstawie właściwości mikroskopowych.
Homogenizacja numeryczna miękkich materiałów porowatych i granicy faz
Homogenizacja to inaczej proces charakteryzowania układu za pomocą kilku parametrów przy jednoczesnym zachowaniu jego podstawowej charakterystyki. W ramach finansowanego ze środków UE projektu MULTISCALEFSI (Multiscale fluid-solid interaction in heterogeneous materials and interfaces) zajęto się numerycznymi odpowiednikami tego procesu.

Celem było zbadanie możliwości zastosowania homogenizacji do szacowania właściwości oddziaływań płyn-ciało stałe w makro- oraz mikroskali. Naukowcy skupili się na granicach faz w środkach smarnych o losowej i okresowej mikroheterogeniczności nazywanej odpowiednio szorstkością i teksturą.

Niejednorodne materiały porowate, posiadające pory wypełnione płynem, są wszechobecne. Do takich materiałów zalicza się m.in. ludzkie kości. Składniki odżywcze są przenoszone do porowatego rusztowania kostnego przez płyn śródkostny. Szybki wzrost mocy obliczeniowej i postępy w zakresie rekonstrukcji mikrostruktur wskazują, że już niedługo możliwe będzie modelowanie pojedynczych elementów.

Niemniej najbardziej efektywną obliczeniowo alternatywą dalej pozostaje homogenizacja. Zespół MULTISCALEFSI wykazał, że dynamikę międzyfazową można precyzyjnie przenieść do rozwiązań makroskalowych. Co ważne, pozwoliło to uniknąć kosztów obliczeń związanych z bezpośrednim numerycznym rozwiązywaniem problemów mikroheterogeniczności.

Oprócz przestrzennych wahań właściwości mikroskopowych, naukowcom udało się również scharakteryzować wahania czasowe metodą uśredniania. Dodatkowo skutecznie odtworzono zniekształcenia granicy faz, wykorzystując w tym celu odpowiedź anizotropową tej granicy.

W ostatnich latach dokonano znaczących postępów w dziedzinie mikroprodukcji. Podejście MULTISCALEFSI polegające na charakteryzowaniu zarówno fazy ciekłej, jak i stałej za pomocą tych samych praw konstytutywnych oraz na precyzyjnym modelowaniu ich oddziaływań wzajemnych z pewnością pomoże projektować powierzchnie o żądanych właściwościach mikro- i makroskopowych.

Dodatkowo zastosowanie metody elementów brzegowych pozwoli ocenić odpowiedź makroskopową granicy płyn-ciało stałe na zmianę wymiarów porów. Do opisania skończonych zmian konfiguracji można wykorzystać klasyczne równanie Reynoldsa charakteryzujące proces smarowania hydrodynamicznego.

Zaproponowane uogólnienie tego równania pozwala uzyskać istotną pod względem zarówno matematycznym, jak i fizycznym odpowiedź granicy faz w materiałach miękkich. Projekt MULTISCALEFSI umożliwił lepsze poznanie makroskopowej odpowiedzi powierzchni teksturowanych, co z pewnością przyczyni się do dalszego rozwoju badań nad zmniejszeniem tarcia i zużycia.

Powiązane informacje

Słowa kluczowe

Homogenizacja numeryczna, materiały porowate, MULTISCALEFSI, oddziaływania płyn-ciało stałe, smarowanie
Numer rekordu: 200107 / Ostatnia aktualizacja: 2017-06-28
Śledź nas na: RSS Facebook Twitter YouTube Zarządzany przez Urząd Publikacji UE W górę