Odkrivanje makroskopskih modelov kompleksnih tekočin z uporabo poenostavitvenih metod

Razvoj pametnih odzivnih materialov, kot so magnetoreološke tekočine, tekoči kristali, hidrogeli in zlitine s spominom oblike, je gonilna sila svetovnega tehnološkega napredka. Znanost o materialih je v veliki meri osredotočena na razvoj materialov s specifičnimi lastnostmi, ki so najbolj primerni za dano uporabo. Teoretično modeliranje nam omogoča napovedovanje obnašanja materiala pod različnimi zunanjimi dražljaji brez dejanskega izvajanja dragih poskusov. Ker se večina aplikacij teh tekočin uporablja na velikih prostorskih in časovnih lestvicah, je makroskopski opis statike in dinamike sistema izjemnega pomena za modeliranje teh materialov. Z uporabo makroskopske dinamike, ki je pristop, ki temelji na simetriji, je mogoče izpeljati konsistentne makroskopske enačbe. Vendar pa ti modeli uvajajo številne neznane fenomenološke parametre, ki jih je treba eksperimentalno izmeriti. Poleg tega v to teorijo mikroskopskih podrobnosti ni mogoče vključiti. Po drugi strani lahko mikroskopske simulacije vključijo te podrobnosti, vendar so računsko predrage za inženirske aplikacije. Da se dosežejo večje (mezoskopske) prostorske in časovne lestvice se v praksi običajno izvede grobozrnenje mikroskopske dinamike. Te metode običajno ustrezajo določenim strukturnim lastnostim mikroskopskega sistema, vendar ne upoštevajo dinamičnih lastnosti sistema, ki so ključne za makroskopsko reološko obnašanje. Tehnike na podlagi podatkov postajajo vse bolj priljubljene kot sredstvo za odkrivanje reduciranega modela neposredno iz podatkov. Večina teh metod se uporablja za preproste nizkodimenzionalne nelinearne dinamične sisteme. Namen tega projekta je odkriti makroskopske zakone neposredno iz simulacijskih podatkov mikroskopske dinamike. Kot primer kompleksnega materiala bomo preučevali magnetoreološke tekočine, ki so sestavljene iz mikronskih magnetnih delcev, suspendiranih v tekočini. Magnetoreološke tekočine imajo velik tržni delež v avtomobilski industriji in se uporabljajo kot aktivni blažilniki, sklopke ali zavore. V zunanjem polju nastanejo stolpci delcev, ki povzročijo ogromno povečanje efektivne viskoznosti ter obstoj statične in dinamične napetosti tečenja. Projekt je razdeljen na tri delovne pakete: DP1: Z uporabo disipativne delčne dinamike (DPD) bomo implementirali bomo mezoskopski model mikronskih delcev, suspendiranih v enostavni tekočini. Izmerili bomo tudi določene termodinamske lastnosti, da pridobimo referenčne vrednosti za naslednje delovne pakete. DP2: Mezoskopsko metodo, izdelano v DP1, bomo povezali z dinamiko magnetne prostostne stopnje, ki bo dodana vsakemu magnetnemu delcu. Izvajali bomo neravnovesne simulacijske poskuse, tj. strižne in tlačne tokove, ter preučevali oblikovanje vzorcev magnetoreološke tekočine pod zunanjimi polji. DP3: Najprej bomo grobozrnili mikroskopska stanja neravnovesnih simulacij, izvedenih v DP2, v polja gostote, hitrosti in magnetizacije ter po možnosti koncentracije magnetnih delcev. Izvedli bomo algoritem za ekstrahiranje osnovnih makroskopskih enačb modela magnetoreološke tekočine. Čeprav obstaja več makroskopskih modelov magnetoreoloških tekočin, so nekateri mehanizmi, ki so prisotni v neravnovesnih situacijah, še vedno slabo razumljeni in jih trenutni modeli ne zajemajo. S tem projektom želimo izluščiti model MRF in po možnosti osvetliti te mehanizme. Rezultati bi lahko odprli novo področje odkrivanja modelov, ki temeljijo na podatkih, iz mikroskopskih simulacij.