物理学家模拟极端压力下的发动机油行为

来自莫斯科物理科学与技术研究所(MIPT)和其他地方的研究人员已经模拟了在极端条件下广泛使用的润滑剂的行为。他们对俄罗斯超级计算机的计算不需要昂贵的实验，并预测2,2,4-三甲基己烷的粘度如何在标准条件和高达房间的10,000倍之间变化。在流体相平衡中报告的这些发现是飞机发动机中类似流体的工业应用的关键，作为燃料添加剂和电绝缘体。

该研究获得了美国化学工程师协会(AIChE)，美国化学学会和主要公司举办的第10届工业流体性能挑战赛的亚军文凭。

工业需要更好的流体行为模型

工业流体的计算机建模是实际实验的重要替代方案，但这并不总是可行的。没有多少实验室能够在高达10,000个大气压的压力下进行实际测量。也就是说，在这个行业工作的工程师需要知道润滑剂在这种条件下的表现，因为它们是现代飞机发动机和蒸汽轮机的现实(图1)。

“计算机建模对公司很有吸引力，因为它可以通过许多可能的选项实现快速结果，”凝聚态物理超级计算方法MIPT实验室的Nikolay Kondratyuk解释道。“通过在模拟中快速测试数百种化合物组合，人们可以设计一种润滑剂。而不是雇用大量研究人员，企业发现在资金竞争方面更有效，他们可以收集有关各种模型性能的有用数据。”

比赛有助于选择和完善模型

工业流体属性挑战研究人员从理论上预测了某些对行业重要的流体的某些特性。这次是关于2,2,4-三甲基己烷 - 用于机油的烃的剪切粘度 - 在高达10,000个大气压的压力下。为了确定获奖者，组织者进行了一项实验并选择了最能反映现实的模拟。

最新的挑战于11月结束，有来自美国国家标准与技术研究院，上海交通大学，伦敦帝国理工学院和其他地方的七支队伍。俄罗斯团队由竞争论文的主要作者Kondratyuk和共同作者Vasily Pisarev组成，他们都隶属于MIPT，俄罗斯科学院高温联合研究所和高等经济学院。

左起：第10届工业流体特性挑战赛组织者Scott Bair和来自莫斯科物理科学研究所的亚军Nikolay Kondratyuk。图片来源：fluidproperties.org

“每个团队都必须提交盲目的理论预测，不知道实验结果如何，”Kondratyuk评论道。“然后，在匹兹堡举行的年度AIChE会议上，Scott Bair透露了他的实验结果，并表示我们在预测准确性方面仅次于约翰霍普金斯大学。”

俄罗斯参赛者预测的1至5,000个大气压的粘度值与后者误差内的实验测量值一致，即3%。超过5,000个大气压，模型预测的偏差随着压力的增加而逐渐增加。

计算能力限制了模拟

甚至超级计算机也无法在大于一微秒的时间尺度上模拟润滑剂分子的行为。这意味着为了获得与实验中测量结果相当的模拟结果，需要推断建模数据，或者将其推广到其原始范围之外。执行此操作有两个主要选项，与两种不同的方法相关联。

“我们开始做其他所有团队最终做的事情。也就是说，我们推断出非平衡方法的结果，”Kondratyuk说。“但随后我们对均衡方法进行了测试，结果表明它在整个压力范围内都是可行的。我们最终提交了第二次预测，并将它们放在了第二位。”