Статьи

Физтeхи смоделировали повeдение cмaзки двигателей caмолетов при экстремальном давлении

26 августа 2019 Рубрика: Исследования и разработки Ключевые слова: МФТИ, терагерцевые детекторы, фотодетекторы, графен

Российские ученые из Московского физико-технического института, Объединенного института высоких температур РАН и Высшей школы экономики рассчитали на суперкомпьютерах в обход дорогостоящих экспериментов вязкость распространенного смазочного вещества под давлением до 10 тысяч атмосфер. Результаты моделирования приводятся в статье в журнале Fluid Phase Equilibria.

X Конкурс по моделированию свойств промышленных жидкостей проводится Американским институтом инженеров-химиков и Американским химическим обществом при участии крупнейших компаний отрасли. Участникам предлагается теоретически предсказать некоторое свойство промышленно значимого, но малоизученного вещества. В этот раз нужно было спрогнозировать, как меняется вязкость эталонной смазки (2,2,4-триметилгексана) при росте давления от нормального атмосферного до 10 тысяч атмосфер и постоянной температуре 20°C.

Соединение 2,2,4-триметилгексан представляет собой жидкий углеводород и используется, помимо смазки, как топливная добавка и электроизолятор.

В конкурсе участвовали семь команд, в том числе из Национального института стандартов и технологий США, Шанхайского университета Цзяотун и Имперского колледжа Лондона. Россию представляла команда ученых из МФТИ, ОИВТ РАН и ВШЭ.

«Все команды предсказывали вязкость вслепую, то есть без опоры на данные эксперимента, — рассказывает первый автор исследования Николай Кондратюк, научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — На ежегодном съезде инженеров-химиков в Питтсбурге один из организаторов конкурса, Скотт Бейр раскрыл результаты своего эксперимента, и оказалось, что в точности предсказаний мы с Василием Писаревым уступили только команде из Университета Джонса Хопкинса».

Российский коллектив предсказал значения вязкости при давлении до 5 тысяч атмосфер, которые сошлись с экспериментальными измерениями в пределах погрешности последних (3%). При дальнейшем увеличении давления ошибка модели постепенно растет.

Компьютерное моделирование промышленных жидкостей — важная альтернатива экспериментам. Немногие лаборатории в мире могут позволить себе реальные измерения при давлении до 10 тысяч атмосфер. Между тем, такие значения достигаются, например, в подшипниках (рисунок 1) и зубчатых передачах паровых турбин и двигателей самолетов. Поэтому индустрии нужны данные о том, как технические жидкости ведут себя в таких условиях.

«Компании стремятся получать быстрые результаты, перебирая варианты веществ не в лаборатории, а в компьютерных симуляциях, — поясняет Кондратюк. — Это особенно важно при дизайне смазок, когда перебирают сотни комбинаций разных смазочных веществ. Производителям выгоднее не держать большой штат ученых, а собирать данные об успешности разных моделей в рамках таких конкурсов и использовать их в расчетах».

Ресурсов даже суперкомпьютера хватает, чтобы смоделировать поведение молекул вещества только на коротких промежутках времени — порядка микросекунды. Чтобы получить результаты, сопоставимые с реальным экспериментом, нужно провести экстраполяцию, то есть распространить предсказание модели на более широкий диапазон данных. Это можно делать двумя разными способами.

«Сначала мы экстраполировали результаты неравновесного метода, как и другие команды, — добавил Кондратюк. — Но потом проверили равновесный метод, и оказалось, что он работает во всем диапазоне давлений. В итоге мы использовали именно его».

Помимо пользы для производства, проверка моделей представляет интерес для фундаментальной науки. Таким образом уточняется понимание устройства вещества и физики взаимодействия составляющих его частиц.

Российский коллектив выполнил вычисления в рамках модели межатомного взаимодействия COMPASS из 1 тысячи молекул на суперкомпьютерах ОИВТ РАН «Десмос» и «Фишер», приобретенных в рамках гранта Российского научного фонда. Еще до публикации исследование заняло второе место в США.

Фото: сайт конкурса, пресс-служба МФТИ

Пока не превышена критически высокая вязкость, смазка предотвращает прямой контакт металлических деталей и износ. Инженерам нужно понимать, как ведут себя молекулы смазки в экстремальных условиях

Пока не превышена критически высокая вязкость, смазка предотвращает прямой контакт металлических деталей и износ. Инженерам нужно понимать, как ведут себя молекулы смазки в экстремальных условиях

Слева направо: Марко Гальвани Куна Университет Джонса Хопкинса, США; Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей; научный сотрудник Московского физико-технического института Николай Кондратюк

Слева направо: Марко Гальвани Куна Университет Джонса Хопкинса, США; Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей; научный сотрудник Московского физико-технического института Николай Кондратюк

Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей; Николай Кондратюк, призер конкурса, научный сотрудник Московского физико-технического института. Изображение с сайта конкурса

Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей; Николай Кондратюк, призер конкурса, научный сотрудник Московского физико-технического института. Изображение с сайта конкурса

Источник:

  • Пресс-служба МФТИ

Карточка организации:

Добавить комментарий

  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 31
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6