Simulasi retak metode baru pembentukan busa

Saat menikmati cappuccino, hampir tidak ada yang memikirkan bagaimana atau mengapa gelembung yang dibuat dalam susu berbusa disimulasikan dengan superkomputer. Para pecinta kopi juga tidak mungkin menyadari bahwa masalah kompleks ini telah mengganggu para peneliti dan insinyur selama bertahun-tahun. Sampai saat ini, simulasi hanya dapat dilakukan dalam jumlah terbatas dari beberapa lusin tetesan dan gelembung yang mengalir, karena simulasi yang realistis akan terlalu komputasional dan memakan biaya. Namun, simulasi prediksi yang realistis dapat sangat memfasilitasi produksi emulsi dan busa dengan sifat yang diinginkan — misalnya dalam produksi makanan atau kosmetik.

Petros Koumoutsakos, Profesor Ilmu Komputasi di ETH Zurich dan Universitas Harvard, bersama dengan mahasiswa PhD-nya Petr Karnakov dan peneliti pascadoktoral Sergey Litvinov, telah mengambil tantangan ini untuk mensimulasikan busa dan tetesan yang mengalir secara realistis. Berdasarkan metode yang ada, para peneliti telah mengembangkan prosedur efisien yang dapat mensimulasikan busa – dari perangkat mikrofluida kecil hingga air terjun yang menderu – termasuk proses fisik yang melibatkan gelembung yang berinteraksi satu sama lain. Metode yang baru disempurnakan disajikan baru-baru ini di jurnal Science Advances.

Busa ada di mana-mana

Busa, yang terdiri dari gelembung tak terhitung yang dipisahkan satu sama lain oleh film cair halus, ada di sekitar kita. Mereka terjadi bahkan dalam jumlah terkecil dari cairan atau sebagai elemen struktural di alam. Misalnya, serangga seperti spittlebugs menyematkan telurnya dalam amplop busa pada batang dan daun tanaman untuk perlindungan; busa yang diproduksi secara artifisial digunakan dalam pengobatan untuk mengoleskan bahan farmasi pada kulit atau mukosa; dan produsen industri plastik busa untuk membuat spons pembersih atau bahan insulasi.

Metode klasik untuk mensimulasikan proses semacam itu adalah yang disebut metode volume-of-fluid (VOF). Untuk metode ini, masing-masing gelembung busa dihitung menggunakan kisi. Namun, ini memerlukan prosedur khusus untuk mencegah dua gelembung yang berada di sel grid yang sama agar tidak salah dianggap sebagai terhubung. Untuk tujuan ini, peneliti menggunakan bidang fraksi volume individu untuk menghitung gelembung individu. Namun, permintaan komputasi yang terlibat sebanding dengan jumlah gelembung dalam simulasi dan oleh karena itu sudah sangat tinggi — bahkan untuk sistem kecil yang hanya terdiri dari beberapa ratus gelembung — sehingga tidak dapat diselesaikan dengan arsitektur superkomputer saat ini, tulis para peneliti yang dipimpin oleh Koumoutsakos.

Simulasi dengan ribuan gelembung mungkin

Untungnya, metode tim yang baru disempurnakan telah berhasil menggabungkan beberapa bidang fraksi volume ini, yang berarti bahwa jumlah bidang yang akan dihitung tetap konstan — terlepas dari jumlah gelembung. Artinya, biaya simulasi tidak lagi bergantung pada jumlah gelembung yang akan disimulasikan.

Metode baru — disebut Multi-VOF — memperhitungkan tidak hanya satu tetapi beberapa lapisan bidang fraksi volume dan memberi label gelembung dengan warna untuk membedakannya. Dengan cara ini, para peneliti mengurangi kompleksitas perhitungan. “Jika saya memiliki empat gelembung parsial dalam sel, sisa gelembung harus berada di sel tetangga,” kata Karnakov, penulis pertama studi tersebut. “Jadi, kami mengembangkan algoritme yang dapat masuk ke sel lain dan menemukan bagian gelembung yang tersisa dengan membandingkan hijau dengan hijau, biru dengan biru, dan seterusnya. Jadi, alih-alih jutaan warna untuk setiap gelembung, Anda hanya perlu empat.” Hasilnya, metode VOF multilayer baru mengatasi hambatan sebelumnya. “Algoritme pintar baru memungkinkan kami melakukan simulasi dengan relevansi industri menggunakan ribuan gelembung,” kata Koumoutsakos.

Menggunakan metode ini pada “Piz Daint”, superkomputer unggulan dari Pusat Superkomputer Nasional Swiss (CSCS), para peneliti berhasil secara realistis mensimulasikan 20.000 gelembung interaksi yang belum pernah terjadi sebelumnya yang tidak menyatu. Mereka melakukan simulasi pembentukan busa dalam pengaturan yang berbeda dan memvalidasinya menggunakan data eksperimen yang tersedia: pembentukan gelembung di perangkat mikrofluidapanggilan_dibuat, pengelompokan gelembung mengambang di airpanggilan_dibuat, dan pembentukan gelembung di a air terjun minipanggilan_dibuat.