Molekulardynamik und Kontinuumsbeschreibung stark gescherter Schmierfilme in der Grenzreibung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Kerstin Falk; Professor Dr. Michael Moseler
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431945604

Zielt dieses Projekts ist eine erweiterte Kontinuumsbeschreibung tribologischer Kontakte im Grenzschmierungsbereich, die -- aufgrund hoher lokaler Drücke und nanoskaliger Schmierspalte -- durch extreme Nichtgleichgewichtszustände des Schmieröls gekennzeichnet sind. Dafür werden zunächst großskalige Molekulardynamik (MD) Simulationen geschmierter Reibkontakte durchgeführt. Damit werden Referenzdaten der mikroskopischen Schmierstoffdynamik und Dissipation erzeugt, anhand derer anschließend eine Komplexitätsreduktion hin zu einem Kontinuumsmodell durchgeführt wird. Die nötigen Konstitutivgleichungen für die Kontinuumsbeschreibung, z. B. Viskosität und Wandschlupf des Schmierstoffs, werden ebenfalls anhand von MD Simulationsdaten aufgestellt, die aus Parameterstudien kleinerer repräsentativer Volumenelemente gewonnen werden. Diese Konstitutivgleichungen werden in ein Reynolds-Kontinuumsmodell implementiert und anschließend durch Vergleich mit den MD Simulationen der großskaligen Referenzsysteme validiert. Die Herausforderungen liegen einerseits in der Formulierung physikalisch fundierter konstitutiver Gleichungen für die Nichtgleichgewichtszustände des Schmierstoffs, und andererseits in der Anwendung eines Kontinuums auf einen Schmierungsbereich, in dem die traditionelle Hydrodynamik voraussichtlich versagt. Es werden zwei sich ergänzende Ansätze verfolgt. Zum einen wird untersucht, inwieweit ein verallgemeinerter Reynolds-Ansatz die Molekulardynamik der Schmierfilme beim Übergang von makroskopischen Spalthöhen hin zu einer einzigen verbleibenden Schmierstoff-Monolage quantitativ abbilden kann. Zentrale Fragen dabei sind, welche physikalischen Effekte für ein Kontinuumsmodell extrem enger Schmierfilme berücksichtigt werden müssen, und wie sich hierfür nicht-empirische Stoffgesetze herleiten lassen. Der zweite Ansatz betrachtet den Übergang von einem anfänglich trockenen Kontakt zu einem Monolagen-Schmierfilm, der sich aus einem angrenzenden Fluid-Reservoir aufbaut. Auch hier wird einerseits die Molekulardynamik des Schmierstoffs betrachtet, insbesondere mit Hinblick auf die damit verbundenen Antriebskräfte für die Nachschmierung des trockenen Kontakts. Andererseits wird wiederum untersucht, inwieweit eine Reduktion auf ein Kontinuumsmodell erreicht werden kann. Dabei wird es wesentlich sein, Spannungssingularitäten an den Rändern des Reservoirs zu vermeiden, und die 2D-Dynamik der sich aufbauenden Monolage korrekt wiederzugeben. Das übergreifende Ziel beider Ansätze ist eine erweiterte Reynolds-Beschreibung, die den dynamischen Schmierfilmab- und aufbau (von hydrodynamischer, über Mangelschmierung, bis zu trockenen Kontaktbereichen und zurück) wie er in den MD Simulationen der großskaligen Referenzsysteme beobachtet wird, quantitativ wiedergibt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5099: Reduktion der Komplexität von Nichtgleichgewichtssystemen
• Mitverantwortlich: Dr. Steffen Wolf