Pressure gradients in molecular dynamics simulations of nano-confined fluid flow

Ein detailliertes Verständnis des Verhaltens von Schmierstoffen in engen Spalten ist für eine Reihe von medizinischen und industriellen Anwendungen entscheidend. Die hydrodynamischen Grundgleichungen bieten genaue Lösungen, sofern die kontaktierenden Körper ausreichend weit voneinander entfernt sind. Unter extremen Belastungsbedingungen werden jedoch Abweichungen von den Navier-Stokes-Fourier-Gleichungen beobachtet. Dies liegt hauptsächlich an der Bedeutung atomare Effekte, die eine homogenisierte Betrachtung im Rahmen von Kontinuumstheorien nicht mehr erlauben, sodass die Flüssigkeit als Ansammlung diskreter Partikel behandelt werden muss. ... mehrDer multiskalige Charakter des Problems wird im Bereich der Grenzreibung umso deutlicher. In diesem Regime wird das Schmiermittel durch Druckgradienten angetrieben, die sich aus der Variation der Spalthöhe zwischen den kontaktierenden Körpern ergeben. In der atomistischen Modellierung werden üblicherweise Nichtgleichgewichts-Molekulardynamik (NEMD) Simulationen periodischer, repräsentativer Volumenelemente (RVE) verwendet, bei denen der Schmierfilm von flachen Wänden eingeschlossen wird. Aufgrund der Periodizität stellt das Einstellen von Druckgradienten in solchen Modellen eine Hürde dar. In dieser Arbeit wurde die ``Pump''-Methode entwickelt, um Druckgradienten in periodischen Systemen einzuführen, indem eine lokale Störung aufgebracht wird, die unter Einhaltung der Impulserhaltung einen druckgetriebenen Fluss des Schmiermittels induziert. Dabei kann sowohl der Massenfluss als auch der Druckgradient, durch Festlegen atomarer Kräfte, als unabhängige Variable gewählt werden. Die Methode wurde für kompressible Fluide mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften und in Verbindung mit verschiedenen Thermostat-Strategien getestet. Dabei werden die thermodynamischen Feldgrößen Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Schmierstoffs in Spalthöhen bis zu drei Moleküldurchmessern gemessen. Die Pump-Methode kann auf Kanäle beliebiger Geometrie angewendet werden, was die Anwendung zur Untersuchung hydrodynamischer Kavitation ermöglicht -- ein Phänomen, welches in der Natur allgegenwärtig ist, jedoch auf molekularer Ebene bisher kaum untersucht wurde. Dazu wurde die Kanalgeometrie anhand einer Sensitivitätsanalyse optimiert. Anschließend wurde die Lebensdauer der Kavitationsblasen, sowie deren Wachstum und Zusammenbruch mit den theoretischen, hydrodynamischen Vorhersagen verglichen. Im Rahmen eines Multiskalenansatzes für Schmierungsprobleme kann die Pump-Methode zur Einstellung der Randbedingungen eines molekularen Systems im Einklang mit Kontinuumssimulationen verwendet werden.

A detailed understanding of the behaviour of lubricants under high confinement is crucial for a range of medical and industrial applications. The hydrodynamic framework provides accurate solutions when the contacting bodies are sufficiently separated, however, at extreme operating conditions, the departure from the Navier-Stokes-Fourier equations is eminent. Atomistic effects can no longer be homogenized and the fluid can not be treated as a continuum-fluid decoupled from the behaviour of its discrete particles. A multiscale treatment of the problem becomes crucial as the fluid operates in the boundary lubrication regime. ... mehrIn this regime, the lubricant is driven by pressure gradients resulting from the gap height variation between the contacts. Atomistic models usually rely on non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations of periodic molecular representative volume elements (RVE), where the lubricant fluid is confined between slab walls. Due to periodicity, introducing pressure gradients in such models presents a hurdle. In this thesis, the ``pump'' method was developed to introduce pressure gradients in perodic RVEs by applying a local perturbation, based on linear momentum conservation, that induces pressure-driven flow of the lubricant. The independent variable can be the pressure gradient, by fixing the force, or the mass flux, by fixing the current. The two variants are equivalent. The method was tested on compressible and wetting fluids, and applied in conjunction with different thermostating strategies. Thermodynamic field variables of the fluid lubricant including velocity, pressure, flux, and temperature were measured and reported down to confinements of $3$ molecular diameters. The pump method can be applied to a channel of arbitrary geometry. This permits the investigation of hydrodynamic cavitation, a phenomenon that is ubiquitous in nature yet not widely investigated on the molecular scale. A sensitivity analysis was conducted to optimize the channel geometry that promotes cavitation. Subsequently, the cavitation lifetime, growth and collapse were compared to the hydrodynamic theoretical predictions. Within a multiscale framework, the pump method can act as the constraint on the molecular system from the larger continuum scale.