Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) en elders hebben het gedrag van een veelgebruikt smeermiddel onder extreme omstandigheden gemodelleerd. Hun berekeningen op Russische supercomputers besparen de kostbare experimenten en voorspellen hoe de viscositeit van 2, 2, 4-trimethylhexaan verandert tussen de standaardomstandigheden en een druk zo hoog als 10, 000 keer dat in uw kamer. De bevindingen, gerapporteerd in Vloeistoffase-evenwichten , zijn essentieel voor de industriële toepassingen van soortgelijke vloeistoffen in vliegtuigmotoren, als brandstofadditieven en elektrische isolatoren.

De studie werd erkend met een eerste runner-up diploma op de 10e Industrial Fluid Properties Challenge gehouden door het American Institute of Chemistry Engineers (AIChE), de Amerikaanse Chemische Vereniging, en grote bedrijven.

De industrie heeft betere modellen voor vloeiend gedrag nodig

Computermodellering van industriële vloeistoffen is een belangrijk alternatief voor echte experimenten, die niet altijd haalbaar zijn. Niet veel laboratoria kunnen zich daadwerkelijke metingen veroorloven bij drukken zo hoog als 10, 000 sferen. Dat gezegd hebbende, ingenieurs die in de industrie werken, moeten weten hoe een smeermiddel zich onder dergelijke omstandigheden gedraagt, omdat ze een realiteit zijn van moderne vliegtuigmotoren en stoomturbines (fig. 1).

"Computermodellering is aantrekkelijk voor bedrijven, omdat het snelle resultaten mogelijk maakt door veel mogelijke opties te overlopen, ", legt Nikolay Kondratyuk uit van het MIPT Laboratory of Supercomputing Methods in Condensed Matter Physics. "Door snel honderden samengestelde combinaties te testen in een simulatie, men kan een smeermiddel ontwerpen. In plaats van tientallen onderzoekers in dienst te nemen, de bedrijven vinden het financieel gezonder om wedstrijden te financieren waar ze nuttige gegevens kunnen verzamelen over de prestaties van verschillende modellen."

Wedstrijden helpen bij het selecteren en perfectioneren van modellen

De Industrial Fluid Properties Challenge laat onderzoekers theoretisch een bepaalde eigenschap voorspellen van een vloeistof die belangrijk is voor de industrie. Deze keer ging het om de afschuifviscositeit van 2, 2, 4-trimethylhexaan - een koolwaterstof die wordt gebruikt in motoroliën - bij drukken tot 10, 000 sferen. Om de winnaars te bepalen, de organisatoren voerden een experiment uit en kozen die simulaties die de werkelijkheid het meest weerspiegelden.

De nieuwste uitdaging, die eindigde in november, bestond uit zeven teams van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology, Shanghai Jiao Tong-universiteit, Imperial College Londen, en elders. Het Russische team bestond uit Kondratyuk, de hoofdauteur van het concurrerende artikel, en co-auteur Vasily Pisarev, beide aangesloten bij MIPT, het Gezamenlijk Instituut voor Hoge Temperaturen van de Russische Academie van Wetenschappen, en de Hogere Economische School.

"Elk team moest een blinde theoretische voorspelling indienen, niet wetend hoe het experiment is verlopen, " merkte Kondratyuk op. "Toen, op de jaarlijkse AIChE-bijeenkomst in Pittsburg, Scott Bair onthulde zijn experimentele resultaten en zei dat we slechts tweede waren van het Johns Hopkins-team in termen van voorspellingsnauwkeurigheid."

De viscositeitswaarden voorspeld door de Russische deelnemers voor drukken tussen 1 en 5, 000 atmosfeer viel samen met de experimentele metingen binnen de fout van de laatste, of 3%. voorbij 5, 000 sferen, de afwijking van de modelvoorspellingen neemt geleidelijk toe naarmate de druk stijgt.

Computervermogen beperkt simulaties

Zelfs een supercomputer is niet in staat het gedrag van smeermiddelmoleculen te modelleren op tijdschalen groter dan een microseconde. Dit betekent dat om simulatieresultaten te verkrijgen die vergelijkbaar zijn met die gemeten in een experiment, de gemodelleerde gegevens moeten worden geëxtrapoleerd, of veralgemeend buiten de oorspronkelijke reikwijdte. Er zijn twee hoofdopties om dit te doen, gekoppeld aan twee verschillende methoden.

"We begonnen met te doen wat elk ander team uiteindelijk deed. Dat wil zeggen, we hebben de resultaten van de niet-evenwichtsmethode geëxtrapoleerd, ' zei Kondratyuk. 'Maar toen hebben we de evenwichtsmethode getest, en het bleek levensvatbaar over het hele drukbereik. Uiteindelijk hebben we deze tweede voorspelling ingediend, en het bracht ons op de tweede plaats."