Figura 1. Em um motor ou turbina de alto rendimento, a lubrificação reduz o desgaste, evitando o contato direto entre as partes metálicas em um rolamento de contato deslizante (representado) ou em um trem de engrenagens. Os engenheiros precisam saber como as pressões extremas de até 10, 000 atmosferas afetam a viscosidade de um fluido, porque uma vez que atinge um certo valor crítico, ele não fornece mais lubrificação adequada. Crédito:@ tsarcyanide / MIPT
Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) e de outros lugares modelaram o comportamento de um lubrificante amplamente usado sob condições extremas. Seus cálculos em supercomputadores russos poupam os experimentos caros e prevêem como a viscosidade de 2, 2, 4-trimetilhexano muda entre as condições padrão e uma pressão de até 10, 000 vezes mais no seu quarto. As evidências, relatado em Equilíbrio de fase de fluido , são fundamentais para as aplicações industriais de fluidos semelhantes em motores de aeronaves, como aditivos de combustível e isolantes elétricos.
O estudo foi reconhecido com um diploma de segundo colocado no 10º Desafio de Propriedades de Fluidos Industriais realizado pelo Instituto Americano de Engenheiros Químicos (AIChE), a American Chemical Society, e grandes empresas.
A indústria precisa de melhores modelos de comportamento de fluidos
A modelagem computacional de fluidos industriais é uma alternativa importante para experimentos reais, que nem sempre são viáveis. Poucos laboratórios podem realizar medições reais em pressões tão altas quanto 10, 000 atmosferas. Dito isto, engenheiros que trabalham na indústria precisam saber como um lubrificante se comporta sob tais condições, porque são uma realidade dos modernos motores de aeronaves e turbinas a vapor (fig. 1).
"A modelagem de computador é atraente para as empresas, porque permite resultados rápidos examinando muitas opções possíveis, "explicou Nikolay Kondratyuk do Laboratório MIPT de Métodos de Supercomputação em Física da Matéria Condensada." Testando rapidamente centenas de combinações de compostos em uma simulação, pode-se projetar um lubrificante. Em vez de contratar muitos pesquisadores, as empresas consideram financeiramente mais viável financiar concursos em que possam coletar dados úteis sobre o desempenho de vários modelos. "
Os concursos ajudam a selecionar e aperfeiçoar os modelos
O Desafio de Propriedades de Fluidos Industriais faz com que os pesquisadores prevejam teoricamente uma determinada propriedade de algum fluido importante para a indústria. Desta vez, era sobre a viscosidade de cisalhamento de 2, 2, 4-trimetilhexano - um hidrocarboneto usado em óleos de motor - a pressões de até 10, 000 atmosferas. Para determinar os vencedores, os organizadores fizeram um experimento e escolheram as simulações que mais espelhavam a realidade.
O último desafio, que terminou em novembro, contou com sete equipes do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, Universidade Jiao Tong de Xangai, Colégio Imperial de Londres, e em outros lugares. A equipe russa era formada pelo Kondratyuk, o autor principal do artigo concorrente, e co-autor Vasily Pisarev, ambos afiliados ao MIPT, o Instituto Conjunto de Altas Temperaturas da Academia Russa de Ciências, e a Escola Superior de Economia.
Da esquerda para a direita:Scott Bair, organizador do 10º Desafio de Propriedades de Fluidos Industriais, e o segundo colocado, Nikolay Kondratyuk, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou. Crédito:fluidproperties.org
"Cada equipe teve que apresentar uma previsão teórica cega, sem saber como o experimento acabou, "Kondratyuk comentou." Então, na reunião anual do AIChE em Pittsburg, Scott Bair revelou seus resultados experimentais e disse que estávamos atrás da equipe da Johns Hopkins em termos de precisão de previsão. "
Os valores de viscosidade previstos pelos competidores russos para pressões entre 1 e 5, 000 atmosferas coincidiram com as medições experimentais dentro do erro destas últimas, ou 3%. Além de 5, 000 atmosferas, o desvio das previsões do modelo aumenta gradualmente à medida que a pressão aumenta.
O poder de computação restringe as simulações
Mesmo um supercomputador é incapaz de modelar o comportamento das moléculas de lubrificante em escalas de tempo maiores do que um microssegundo. Isso significa que, para obter resultados de simulação comparáveis aos medidos em um experimento, os dados modelados precisam ser extrapolados, ou generalizado além de seu escopo original. Existem duas opções principais para fazer isso, associado a dois métodos distintos.
"Começamos fazendo o que todas as outras equipes acabaram fazendo. Ou seja, extrapolamos os resultados do método de não-equilíbrio, "Kondratyuk disse." Mas então testamos o método de equilíbrio, e tornou-se viável em toda a faixa de pressão. Por fim, submetemos esta segunda previsão, e isso nos colocou em segundo lugar. "
