Entwicklung einer Multiskalenmethode für die Simulation von Schmierprozessen

Abstract

Reibung und Schmierung sind Multiskalenprobleme, d.h. Prozesse auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen beeinflussen einander und bestimmen die makroskopische Antwort eines Systems. Für Schmierungsprozesse trifft dies insbesondere im Grenzreibungsbereich zu, in dem die Dicke des Schmierspalts in der Größenordnung molekularer Interaktionslängen liegt. Makroskopische Schmierungsmodellierung basiert fast ausschließlich auf der Anwendung der Reynoldsgleichung, während auf atomarer Skala vermehrt Molekulardynamik-Simulationen in den Vordergrund treten. Multiskalenmethoden für Schmierungsphänomene, die über sequentielle Ansätze hinausgehen, sind bisher noch nicht etabliert. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Multiskalenansatz vorgestellt, welcher die Lösung der makroskopischen Bilanzgleichungen in ein Mikro- und Makroproblem aufteilt. Das Makroproblem entsteht durch Mittelung der Bilanzgleichungen über der Spalthöhe, ähnlich zur konventionellen Reynoldsgleichung, und wird mittels expliziter Finite-Volumen-Diskretisierung gelöst, während das Mikroproblem das konstitutive Verhalten des Schmierfilms enthält. Die numerische Implementierung des Makroproblems wird mithilfe gewöhnlicher Konstitutivgesetze validiert und anhand konkreter Beispiele wird gezeigt, dass diese in Zukunft durch Molekulardynamik-Simulationen ersetzt werden können. Außerdem lassen sich analytische Lösungen der linearisierten Grundgleichungen des Makroproblems herleiten, die mit Autokorrelationsfunktionen fluktuierender Zustandsvariablen aus Molekulardynamik-Simulationen verglichen werden. Daraus ergibt sich eine Methode zur simultanen Bestimmung von Viskosität und Schlupflänge aus Gleichgewichts-Simulationen, sowie die Beschreibung des überkritischen Schalltransports in Fluidspalten. Für eine effiziente Umsetzung des vorgestellten Multiskalenansatzes wird eine Ersatzmodellierung benötigt, die zwischen einzelnen Mikrosimulationen interpoliert. Anhand von einfachen Beispielen wird das Anwendungspotential der Gaußprozess-Regression als mögliches Ersatzmodell evaluiert. Die vorliegende Arbeit liefert somit die theoretischen Grundlagen einer simultanen Multiskalensimulation von Schmierungsprozessen, welche in Zukunft zu einem besseren Verständnis der Dissipationsmechanismen im Grenzreibungsbereich beitragen kann

    Similar works