Figura 1. In un motore o una turbina per impieghi gravosi, la lubrificazione riduce l'usura impedendo un contatto diretto tra le parti metalliche in un cuscinetto a strisciamento (raffigurato) o in un treno di ingranaggi. Gli ingegneri devono sapere come le pressioni estreme fino a 10, 000 atmosfere influiscono sulla viscosità di un fluido, perché una volta raggiunto un certo valore critico, non fornisce più una lubrificazione adeguata. Credito:@tsarcyanide/MIPT
I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e altrove hanno modellato il comportamento di un lubrificante ampiamente utilizzato in condizioni estreme. I loro calcoli sui supercomputer russi risparmiano i costosi esperimenti e prevedono come la viscosità di 2, 2, 4-trimetilesano cambia tra le condizioni standard e una pressione fino a 10, 000 volte quello nella tua stanza. Le scoperte, segnalato in Equilibri di fase fluida , sono fondamentali per le applicazioni industriali di fluidi simili nei motori aeronautici, come additivi per carburanti e isolanti elettrici.
Lo studio è stato riconosciuto con un diploma di primo classificato alla decima sfida sulle proprietà dei fluidi industriali tenuta dall'American Institute of Chemistry Engineers (AIChE), la Società Chimica Americana, e grandi aziende.
L'industria ha bisogno di modelli di comportamento dei fluidi migliori
La modellazione al computer dei fluidi industriali è un'importante alternativa agli esperimenti reali, che non sempre sono realizzabili. Non molti laboratori possono permettersi misurazioni effettive a pressioni fino a 10, 000 atmosfere. Detto ciò, gli ingegneri che lavorano nel settore devono sapere come si comporta un lubrificante in tali condizioni, perché sono una realtà di moderni motori aeronautici e turbine a vapore (fig. 1).
"La modellazione informatica è interessante per le aziende, perché consente risultati rapidi esaminando molte opzioni possibili, " ha spiegato Nikolay Kondratyuk del MIPT Laboratory of Supercomputing Methods in Condensed Matter Physics. "Testando rapidamente centinaia di combinazioni di composti in una simulazione, si può progettare un lubrificante. Piuttosto che assumere decine di ricercatori, le aziende trovano finanziariamente più solido finanziare concorsi in cui possono raccogliere dati utili sulle prestazioni dei vari modelli".
I concorsi aiutano a selezionare e perfezionare i modelli
La sfida sulle proprietà dei fluidi industriali prevede che i ricercatori prevedano teoricamente una certa proprietà di alcuni fluidi importanti per l'industria. Questa volta si trattava della viscosità di taglio di 2, 2, 4-trimetilesano, un idrocarburo utilizzato negli oli motore, a pressioni fino a 10, 000 atmosfere. Per determinare i vincitori, gli organizzatori hanno condotto un esperimento e hanno scelto quelle simulazioni che rispecchiavano di più la realtà.
L'ultima sfida, che si è conclusa a novembre, comprendeva sette squadre del National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti, Università Jiao Tong di Shanghai, Imperial College di Londra, e altrove. La squadra russa comprendeva Kondratyuk, l'autore principale dell'articolo in concorso, e co-autore Vasily Pisarev, entrambi affiliati al MIPT, l'Istituto congiunto per le alte temperature dell'Accademia delle scienze russa, e la Scuola Superiore di Economia.
Da sinistra:Scott Bair, organizzatore del 10° Industrial Fluid Properties Challenge, e il primo classificato Nikolay Kondratyuk dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca. Credito:fluidproperties.org
"Ogni squadra ha dovuto presentare una previsione teorica cieca, non sapendo come andò a finire l'esperimento, " Kondratyuk ha commentato. "Allora, all'incontro annuale dell'AIChE a Pittsburg, Scott Bair ha rivelato i suoi risultati sperimentali e ha detto che siamo secondi solo al team della Johns Hopkins in termini di accuratezza delle previsioni".
I valori di viscosità previsti dai concorrenti russi per pressioni comprese tra 1 e 5, 000 atmosfere hanno coinciso con le misurazioni sperimentali all'interno dell'errore di quest'ultimo, o 3%. Oltre 5, 000 atmosfere, la deviazione delle previsioni del modello aumenta gradualmente all'aumentare della pressione.
La potenza di calcolo limita le simulazioni
Anche un supercomputer non è in grado di modellare il comportamento delle molecole di lubrificante su scale temporali maggiori di un microsecondo. Ciò significa che per ottenere risultati di simulazione paragonabili a quelli misurati in un esperimento, i dati modellati devono essere estrapolati, o generalizzato oltre il suo scopo originario. Ci sono due opzioni principali per farlo, associato a due distinti metodi.
"Abbiamo iniziato facendo quello che ogni altra squadra ha finito per fare. Cioè, abbiamo estrapolato i risultati del metodo del non equilibrio, " disse Kondratyuk. "Ma poi abbiamo testato il metodo dell'equilibrio, e si è rivelato praticabile in tutto l'intervallo di pressione. Alla fine abbiamo presentato questa seconda previsione, e ci ha portato al secondo posto."
