Fysikere simulerer motorolieadfærd under ekstremt tryk

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT) og andre steder har modelleret adfærden af ​​et meget brugt smøremiddel under ekstreme forhold. Deres beregninger på russiske supercomputere skåner de kostbare eksperimenter og forudsiger, hvordan viskositeten af ​​2, 2, 4-trimethylhexan skifter mellem standardbetingelserne og et tryk så højt som 10, 000 gange så meget på dit værelse. Fundene, rapporteret i Væskefaseligevægte , er nøglen til industrielle anvendelser af lignende væsker i flymotorer, som brændstoftilsætningsstoffer og elektriske isolatorer.

Undersøgelsen blev anerkendt med et første-runner-up-diplom ved den 10. Industrial Fluid Properties Challenge afholdt af American Institute of Chemistry Engineers (AIChE), American Chemical Society, og større virksomheder.

Industrien har brug for bedre flydende adfærdsmodeller

Computermodellering af industrielle væsker er et vigtigt alternativ til rigtige eksperimenter, som ikke altid er gennemførlige. Ikke mange laboratorier har råd til faktiske målinger ved tryk så højt som 10, 000 atmosfærer. Det sagt, ingeniører, der arbejder i industrien, har brug for at vide, hvordan et smøremiddel opfører sig under sådanne forhold, fordi de er en realitet af moderne flymotorer og dampturbiner (fig. 1).

"Computermodellering appellerer til virksomheder, fordi det giver hurtige resultater ved at gå over mange mulige muligheder, " forklarede Nikolay Kondratyuk fra MIPT Laboratory of Supercomputing Methods in Condensed Matter Physics. "Ved hurtigt at teste hundredvis af sammensatte kombinationer i en simulering, man kan designe et smøremiddel. I stedet for at ansætte snesevis af forskere, virksomhederne finder det økonomisk mere forsvarligt at finansiere konkurrencer, hvor de kan indsamle nyttige data om forskellige modellers præstationer."

Konkurrencer hjælper med at vælge og perfektionere modeller

Industrial Fluid Properties Challenge har forskere teoretisk forudsige en bestemt egenskab ved noget væske, der er vigtigt for industrien. Denne gang handlede det om forskydningsviskositeten på 2, 2, 4-trimethylhexan - et carbonhydrid brugt i motorolier - ved tryk på op til 10, 000 atmosfærer. For at finde vinderne, arrangørerne kørte et eksperiment og valgte de simuleringer, der afspejlede virkeligheden mest.

Den seneste udfordring, som sluttede i november, indeholdt syv hold fra U.S. National Institute of Standards and Technology, Shanghai Jiao Tong Universitet, Imperial College London, og andre steder. Det russiske hold bestod af Kondratyuk, hovedforfatteren af ​​det konkurrerende papir, og medforfatter Vasily Pisarev, begge tilknyttet MIPT, Det Russiske Videnskabsakademis Fælles Institut for Høje Temperaturer, og Handelshøjskolen.

"Hvert hold skulle indsende en blind teoretisk forudsigelse, uden at vide, hvordan eksperimentet gik ud, " kommenterede Kondratyuk. "Så, ved det årlige AIChE-møde i Pittsburg, Scott Bair afslørede sine eksperimentelle resultater og sagde, at vi kun var nummer to efter Johns Hopkins-holdet med hensyn til forudsigelsesnøjagtighed."

Viskositetsværdierne forudsagt af de russiske deltagere for tryk mellem 1 og 5, 000 atmosfærer faldt sammen med de eksperimentelle målinger inden for sidstnævntes fejl, eller 3 %. Ud over 5, 000 atmosfærer, afvigelsen af ​​modelforudsigelserne stiger gradvist, efterhånden som trykket stiger.

Regnekraft begrænser simuleringer

Selv en supercomputer er ude af stand til at modellere opførselen af ​​smøremiddelmolekyler på tidsskalaer større end et mikrosekund. Det betyder, at for at opnå simuleringsresultater, der er sammenlignelige med dem, der er målt i et eksperiment, de modellerede data skal ekstrapoleres, eller generaliseret ud over dets oprindelige omfang. Der er to hovedmuligheder for at gøre dette, forbundet med to forskellige metoder.

"Vi begyndte med at gøre, hvad alle andre hold endte med at gøre. Det vil sige, vi ekstrapolerede resultaterne af ikke-ligevægtsmetoden, " sagde Kondratyuk. "Men så testede vi ligevægtsmetoden, og det viste sig levedygtigt over hele trykområdet. Vi sendte til sidst denne anden forudsigelse, og det landede os på andenpladsen."