物理學(xué)家模擬極端壓力下的發(fā)動(dòng)機(jī)油行為

來(lái)自莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)研究所(MIPT)和其他地方的研究人員已經(jīng)模擬了在極端條件下廣泛使用的潤(rùn)滑劑的行為。他們對(duì)俄羅斯超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)，并預(yù)測(cè)2,2,4-三甲基己烷的粘度如何在標(biāo)準(zhǔn)條件和高達(dá)房間的10,000倍之間變化。在流體相平衡中報(bào)告的這些發(fā)現(xiàn)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中類似流體的工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵，作為燃料添加劑和電絕緣體。

該研究獲得了化學(xué)工程師協(xié)會(huì)(AIChE)，化學(xué)學(xué)會(huì)和主要公司舉辦的第10屆工業(yè)流體性能挑戰(zhàn)賽的亞軍文憑。

工業(yè)需要更好的流體行為模型

工業(yè)流體的計(jì)算機(jī)建模是實(shí)際實(shí)驗(yàn)的重要替代方案，但這并不總是可行的。沒(méi)有多少實(shí)驗(yàn)室能夠在高達(dá)10,000個(gè)大氣壓的壓力下進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。也就是說(shuō)，在這個(gè)行業(yè)工作的工程師需要知道潤(rùn)滑劑在這種條件下的表現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兪乾F(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽輪機(jī)的現(xiàn)實(shí)(圖1)。

“計(jì)算機(jī)建模對(duì)公司很有吸引力，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)許多可能的選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)快速結(jié)果，”凝聚態(tài)物理超級(jí)計(jì)算方法MIPT實(shí)驗(yàn)室的Nikolay Kondratyuk解釋道。“通過(guò)在模擬中快速測(cè)試數(shù)百種化合物組合，人們可以設(shè)計(jì)一種潤(rùn)滑劑。而不是雇用大量研究人員，企業(yè)發(fā)現(xiàn)在資金競(jìng)爭(zhēng)方面更有效，他們可以收集有關(guān)各種模型性能的有用數(shù)據(jù)。”

比賽有助于選擇和完善模型

工業(yè)流體屬性挑戰(zhàn)研究人員從理論上預(yù)測(cè)了某些對(duì)行業(yè)重要的流體的某些特性。這次是關(guān)于2,2,4-三甲基己烷 - 用于機(jī)油的烴的剪切粘度 - 在高達(dá)10,000個(gè)大氣壓的壓力下。為了確定獲獎(jiǎng)?wù)撸M織者進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)并選擇了最能反映現(xiàn)實(shí)的模擬。

最新的挑戰(zhàn)于11月結(jié)束，有來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，上海交通大學(xué)，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和其他地方的七支隊(duì)伍。俄羅斯團(tuán)隊(duì)由競(jìng)爭(zhēng)論文的主要作者Kondratyuk和共同作者Vasily Pisarev組成，他們都隸屬于MIPT，俄羅斯科學(xué)院高溫聯(lián)合研究所和高等經(jīng)濟(jì)學(xué)院。

左起：第10屆工業(yè)流體特性挑戰(zhàn)賽組織者Scott Bair和來(lái)自莫斯科物理科學(xué)研究所的亞軍Nikolay Kondratyuk。圖片來(lái)源：fluidproperties.org

“每個(gè)團(tuán)隊(duì)都必須提交盲目的理論預(yù)測(cè)，不知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，”Kondratyuk評(píng)論道。“然后，在匹茲堡舉行的年度AIChE會(huì)議上，Scott Bair透露了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并表示我們?cè)陬A(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面僅次于約翰霍普金斯大學(xué)。”

俄羅斯參賽者預(yù)測(cè)的1至5,000個(gè)大氣壓的粘度值與后者誤差內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值一致，即3%。超過(guò)5,000個(gè)大氣壓，模型預(yù)測(cè)的偏差隨著壓力的增加而逐漸增加。

計(jì)算能力限制了模擬

甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法在大于一微秒的時(shí)間尺度上模擬潤(rùn)滑劑分子的行為。這意味著為了獲得與實(shí)驗(yàn)中測(cè)量結(jié)果相當(dāng)?shù)哪M結(jié)果，需要推斷建模數(shù)據(jù)，或者將其推廣到其原始范圍之外。執(zhí)行此操作有兩個(gè)主要選項(xiàng)，與兩種不同的方法相關(guān)聯(lián)。

“我們開始做其他所有團(tuán)隊(duì)最終做的事情。也就是說(shuō)，我們推斷出非平衡方法的結(jié)果，”Kondratyuk說(shuō)。“但隨后我們對(duì)均衡方法進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明它在整個(gè)壓力范圍內(nèi)都是可行的。我們最終提交了第二次預(yù)測(cè)，并將它們放在了第二位。”