Figura 1. En un motor o turbina de alto rendimiento, La lubricación reduce el desgaste al evitar el contacto directo entre las partes metálicas de un cojinete de contacto deslizante (ilustrado) o un tren de engranajes. Los ingenieros necesitan saber cómo las presiones extremas de hasta 10, 000 atmósferas afectan la viscosidad de un fluido, porque una vez que alcanza un cierto valor crítico, ya no proporciona una lubricación adecuada. Crédito:@ tsarcyanide / MIPT
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y otros lugares han modelado el comportamiento de un lubricante ampliamente utilizado en condiciones extremas. Sus cálculos en supercomputadoras rusas ahorran costosos experimentos y predicen cómo la viscosidad de 2, 2, 4-trimetilhexano cambia entre las condiciones estándar y una presión tan alta como 10, 000 veces más en tu habitación. Los resultados, reportado en Equilibrios de fase fluida , son clave para las aplicaciones industriales de fluidos similares en motores de aviones, como aditivos de combustible y aislantes eléctricos.
El estudio fue reconocido con un diploma de primer finalista en el Décimo Desafío de Propiedades de Fluidos Industriales realizado por el Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE). la Sociedad Química Estadounidense, y grandes empresas.
La industria necesita mejores modelos de comportamiento de fluidos
El modelado informático de fluidos industriales es una alternativa importante a los experimentos reales, que no siempre son factibles. No muchos laboratorios pueden permitirse mediciones reales a presiones tan altas como 10, 000 atmósferas. Dicho eso Los ingenieros que trabajan en la industria necesitan saber cómo se comporta un lubricante en tales condiciones, porque son una realidad de los modernos motores de aviones y turbinas de vapor (fig. 1).
"El modelado informático es atractivo para las empresas, porque permite obtener resultados rápidos al repasar muchas opciones posibles, "explicó Nikolay Kondratyuk del Laboratorio MIPT de Métodos de Supercomputación en Física de la Materia Condensada". Al probar rápidamente cientos de combinaciones de compuestos en una simulación, se puede diseñar un lubricante. En lugar de contratar a decenas de investigadores, a las empresas les resulta financieramente más sólido financiar concursos en los que pueden recopilar datos útiles sobre el rendimiento de varios modelos ".
Los concursos ayudan a seleccionar y perfeccionar modelos
El Desafío de las propiedades de los fluidos industriales hace que los investigadores pronostiquen teóricamente una determinada propiedad de algún fluido importante para la industria. Esta vez se trataba de la viscosidad de cizallamiento de 2, 2, 4-trimetilhexano, un hidrocarburo que se utiliza en los aceites de motor, a presiones de hasta 10, 000 atmósferas. Para determinar los ganadores, los organizadores llevaron a cabo un experimento y eligieron las simulaciones que más reflejaban la realidad.
El último desafío, que terminó en noviembre, contó con siete equipos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU., Universidad Jiao Tong de Shanghai, Colegio Imperial de Londres, y en otros lugares. El equipo ruso estaba compuesto por Kondratyuk, el autor principal del artículo de la competencia, y el coautor Vasily Pisarev, ambos afiliados a MIPT, el Instituto Conjunto de Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia, y la Escuela Superior de Economía.
Desde la izquierda:el organizador del décimo desafío de propiedades de fluidos industriales Scott Bair y el primer finalista Nikolay Kondratyuk del Instituto de Física y Tecnología de Moscú. Crédito:fluidproperties.org
"Cada equipo tuvo que presentar una predicción teórica ciega, sin saber cómo resultó el experimento, "Comentó Kondratyuk." Entonces, en la reunión anual de AIChE en Pittsburg, Scott Bair reveló sus resultados experimentales y dijo que solo estábamos en segundo lugar después del equipo de Johns Hopkins en términos de precisión de predicción ".
Los valores de viscosidad predichos por los competidores rusos para presiones entre 1 y 5, 000 atmósferas coincidieron con las mediciones experimentales dentro del error de esta última, o 3%. Más allá de 5, 000 atmósferas, la desviación de las predicciones del modelo aumenta gradualmente a medida que aumenta la presión.
La potencia informática restringe las simulaciones
Incluso una supercomputadora es incapaz de modelar el comportamiento de las moléculas de lubricante en escalas de tiempo mayores a un microsegundo. Esto significa que para obtener resultados de simulación que sean comparables a los medidos en un experimento, los datos modelados deben extrapolarse, o generalizado más allá de su alcance original. Hay dos opciones principales para hacer esto, asociado con dos métodos distintos.
"Comenzamos haciendo lo que todos los demás equipos terminaron haciendo. Es decir, extrapolamos los resultados del método de desequilibrio, ", Dijo Kondratyuk." Pero luego probamos el método de equilibrio, y resultó viable en todo el rango de presión. Finalmente enviamos esta segunda predicción, y nos colocó en el segundo lugar ".
