• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Fysiker simulerar motoroljebeteende under extremt tryck

    Figur 1. I en kraftig motor eller turbin, smörjning minskar slitaget genom att förhindra direkt kontakt mellan metalldelarna i ett glidkontaktlager (bildat) eller en kuggväxel. Ingenjörer behöver veta hur de extrema trycken på upp till 10, 000 atmosfärer påverkar en vätskas viskositet, för när det väl når ett visst kritiskt värde, den ger inte längre tillräcklig smörjning. Kredit:@tsarcyanide/MIPT

    Forskare från Moskvas institut för fysik och teknik (MIPT) och på andra håll har modellerat beteendet hos ett allmänt använt smörjmedel under extrema förhållanden. Deras beräkningar på ryska superdatorer skonar de kostsamma experimenten och förutsäger hur viskositeten för 2, 2, 4-trimetylhexan växlar mellan standardförhållandena och ett tryck så högt som 10, 000 gånger så mycket i ditt rum. Resultaten, redovisas i Vätskefasjämvikter , är nyckeln för industriella tillämpningar av liknande vätskor i flygplansmotorer, som bränsletillsatser och elektriska isolatorer.

    Studien erkändes med ett diplom i första tvåan vid den 10:e Industrial Fluid Properties Challenge som hölls av American Institute of Chemistry Engineers (AIChE), American Chemical Society, och stora företag.

    Industrin behöver bättre vätskebeteendemodeller

    Datormodellering av industriella vätskor är ett viktigt alternativ till verkliga experiment, som inte alltid är genomförbara. Inte många laboratorier har råd med faktiska mätningar vid så höga tryck som 10, 000 atmosfärer. Som sagt, ingenjörer som arbetar i branschen behöver veta hur ett smörjmedel beter sig under sådana förhållanden, eftersom de är en verklighet av moderna flygplansmotorer och ångturbiner (fig. 1).

    "Datormodellering är tilltalande för företag, eftersom det möjliggör snabba resultat genom att gå över många möjliga alternativ, " förklarade Nikolay Kondratyuk från MIPT Laboratory of Supercomputing Methods in Condensed Matter Physics. "Genom att snabbt testa hundratals sammansatta kombinationer i en simulering, man kan designa ett smörjmedel. Istället för att anställa massor av forskare, företagen tycker att det är ekonomiskt bättre att finansiera tävlingar där de kan samla in användbar data om olika modellers prestanda."

    Tävlingar hjälper till att välja och perfekta modeller

    Industrial Fluid Properties Challenge har forskare teoretiskt förutsäga en viss egenskap hos någon vätska som är viktig för industrin. Den här gången handlade det om skjuvviskositeten på 2, 2, 4-trimetylhexan – ett kolväte som används i motoroljor – vid tryck på upp till 10, 000 atmosfärer. För att utse vinnarna, arrangörerna körde ett experiment och valde de simuleringar som speglade verkligheten mest.

    Den senaste utmaningen, som avslutades i november, med sju lag från U.S. National Institute of Standards and Technology, Shanghai Jiao Tong University, Imperial College London, och på andra ställen. Det ryska laget bestod av Kondratyuk, huvudförfattaren till den konkurrerande tidningen, och medförfattare Vasily Pisarev, båda anslutna till MIPT, det gemensamma institutet för höga temperaturer vid den ryska vetenskapsakademin, och Handelshögskolan.

    Från vänster:10:e Industrial Fluid Properties Challenge-arrangören Scott Bair och första tvåan Nikolay Kondratyuk från Moscow Institute of Physics and Technology. Kredit:fluidproperties.org

    "Varje lag var tvungen att lämna in en blind teoretisk förutsägelse, utan att veta hur experimentet blev, " kommenterade Kondratyuk. "Då, vid det årliga AIChE-mötet i Pittsburg, Scott Bair avslöjade sina experimentella resultat och sa att vi bara var näst efter Johns Hopkins-teamet när det gäller prediktionsnoggrannhet."

    Viskositetsvärdena som förutspåtts av de ryska tävlande för tryck mellan 1 och 5, 000 atmosfärer sammanföll med de experimentella mätningarna inom det senares fel, eller 3 %. Efter 5, 000 atmosfärer, modellförutsägelsernas avvikelse ökar gradvis när trycket stiger.

    Datorkraft begränsar simuleringar

    Inte ens en superdator kan modellera beteendet hos smörjmedelsmolekyler på tidsskalor som är större än en mikrosekund. Detta innebär att för att få simuleringsresultat som är jämförbara med de som uppmätts i ett experiment, de modellerade data måste extrapoleras, eller generaliserat utanför dess ursprungliga räckvidd. Det finns två huvudalternativ för att göra detta, förknippas med två olika metoder.

    "Vi började med att göra det som alla andra lag gjorde. Det vill säga, vi extrapolerade resultaten av icke-jämviktsmetoden, " sa Kondratyuk. "Men sedan testade vi jämviktsmetoden, och det visade sig lönsamt över hela tryckområdet. Vi skickade till slut denna andra förutsägelse, och det landade oss på andra plats."

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com