Ученые из МФТИ смоделировали поведение смазки под давлением
9 минут
ФизТех

Ученые из МФТИ смоделировали поведение смазки под давлением

3.9

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.

Ученые из МФТИ смоделировали поведение смазки под давлением / ©www.altai-eparhia.ru

Это соединение — 2,2,4-триметилгексан — представляет собой жидкий углеводород и используется, помимо смазки, как топливная добавка и электроизолятор. Результаты моделирования приводятся в статье в журнале Fluid Phase Equilibria. Еще до публикации исследование заняло второе местона X Конкурсе по моделированию свойств промышленных жидкостей в США.

Конкурс проводится раз в один-два года 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 градусов Цельсия.

Организаторы проводят эксперимент и объявляют победителями тех, чьи предсказания окажутся ближе к реальности. Десятый конкурс завершился в ноябре. В нем 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.

По центру — Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей. Слева — Марко Гальвани Куна из команды победителей, Университет Джонса Хопкинса, США. Справа — научный сотрудник Московского физико-технического института Николай Кондратюк, который занял второе место в паре с доцентом МФТИ Василием Писаревым / ©Пресс-служба МФТИ, изображение взято с сайта конкурса
По центру — Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей. Слева — Марко Гальвани Куна из команды победителей, Университет Джонса Хопкинса, США. Справа — научный сотрудник Московского физико-технического института Николай Кондратюк, который занял второе место в паре с доцентом МФТИ Василием Писаревым / ©Пресс-служба МФТИ, изображение взято с сайта конкурса

«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 пяти 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.

Рисунок 1. Пока не превышена критически высокая вязкость, смазка предотвращает прямой контакт металлических деталей и износ. Поскольку в мощных современных турбинах и двигателях могут достигаться давления в тысячи атмосфер, инженерам нужно понимать, как ведут себя молекулы смазки в таких экстремальных условиях / ©Пресс-служба МФТИ / @tsarcyanide
Рисунок 1. Пока не превышена критически высокая вязкость, смазка предотвращает прямой контакт металлических деталей и износ. Поскольку в мощных современных турбинах и двигателях могут достигаться давления в тысячи атмосфер, инженерам нужно понимать, как ведут себя молекулы смазки в таких экстремальных условиях / ©Пресс-служба МФТИ / @tsarcyanide

«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.

Слева — Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей. Справа — Николай Кондратюк, призер конкурса, научный сотрудник Московского физико-технического института / ©Пресс-служба МФТИ, изображение взято с сайта конкурса
Слева — Скотт Бейр, организатор X Конкурса по моделированию свойств промышленных жидкостей. Справа — Николай Кондратюк, призер конкурса, научный сотрудник Московского физико-технического института / ©Пресс-служба МФТИ, изображение взято с сайта конкурса

«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 одной тысячи молекул на суперкомпьютерах ОИВТ РАН «Десмос» и «Фишер», приобретенных в рамках гранта Российского научного фонда.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
179 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 20:59
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

Вчера, 12:50
6 минут
Денис Гордеев

Точной причины мора ученые пока не знают. Возможно, дело в новом патогене, еще не известном науке.

Позавчера, 09:37
5 минут
Сергей Васильев

Точные данные о локализации центра масс Солнечной системы важны для поиска гравитационных волн, поэтому астрономы выяснили его с ошибкой не более 100 метров.

27 июня
8 минут
Sergei Sobol

Уроки астрономии вернулись в российские школы в 2018 году. За то время, пока эта наука была необязательным предметом, в ней произошло много событий, не все из которых нашли отражение в учебниках. Кроме того, в них и раньше не были упомянуты многие интересные факты.

Позавчера, 20:59
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

Позавчера, 09:37
5 минут
Сергей Васильев

Точные данные о локализации центра масс Солнечной системы важны для поиска гравитационных волн, поэтому астрономы выяснили его с ошибкой не более 100 метров.

27 июня
8 минут
Sergei Sobol

Уроки астрономии вернулись в российские школы в 2018 году. За то время, пока эта наука была необязательным предметом, в ней произошло много событий, не все из которых нашли отражение в учебниках. Кроме того, в них и раньше не были упомянуты многие интересные факты.

Позавчера, 20:59
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

18 июня
9 минут
Sergei Sobol

Россия знала многих правителей. Сможете ли вы распознать их по следу, оставленному в истории?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: