《Fluid Phase Equilibria》：Density and viscosity of refrigerant R123 with OPLS force field and atomic SLLOD
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分子动力学模拟验证OPLS力场与原子级SLLOD算法在R123润滑特性预测中的有效性，覆盖10-800MPa、298-373K极端条件，结果与实验数据吻合，为无油轴承设计提供可靠工具。
塞巴斯蒂安·埃切韦里·雷斯特雷波（Sebastián Echeverri Restrepo）|吉列尔莫·E·莫拉莱斯-埃斯佩赫尔（Guillermo E. Morales-Espejel）
SKF研究与发展部（SKF Research & Technology Development, RTD），SKF B.V.，Meidoornkade 14，Houten，3992 AE，荷兰
摘要
在高压、高温应用中，如压缩机中，制冷剂越来越多地被用作润滑介质。准确预测其热物理性质对于有效的设计和性能优化至关重要。在这项研究中，我们提出了一个分子动力学框架，用于模拟制冷剂在压缩机中滚动元件与轴承滚道接触相关范围内的密度和粘度。通过使用非平衡分子动力学（SLLOD）和平衡分子动力学（Green–Kubo）方法，我们评估了OPLS力场的性能，并验证了原子级 SLLOD方程在处理小分子制冷剂时的适用性（而不是更复杂的分子级版本）。模拟结果与文献数据吻合良好。我们得出结论，这种方法为表征制冷剂提供了一种可靠且计算效率高的工具，即使在极端工作条件下也是如此。
引言
在某些特定应用中，例如空调系统的冷水机组中，已经开发出避免使用润滑油的技术。无油运行具有多个优势：无需分离系统来减少制冷剂在油中的稀释；没有制冷剂与油混合导致过早失效的风险；也不需要维护油。此外，这消除了处理废油的需要，防止了油在蒸发器中积聚的风险，并且省去了加热器的需求。对于风冷式冷水机组，还避免了管道破裂时油污染的风险[1]。
使用制冷剂作为润滑剂的一种替代方案是直接利用制冷剂蒸气压缩循环中的制冷剂。其主要思想是，通过使用带有定制钢环和陶瓷滚动元件的混合轴承，可以在运行过程中形成足够厚的润滑膜[2]，[3]。
为纯制冷剂润滑设计的轴承解决方案需要计算运行期间的预期润滑膜厚度。这可以使用弹性流体动力学（EHL）模型来完成[4]，但这些模型需要输入制冷剂在接触点极端条件下的热物理性质（作为压力和温度函数的粘度和密度）。当使用制冷剂作为润滑剂时，滚动元件与轴承滚道接触点处的典型条件通常可达到吉帕（gigapascals）级别和数十摄氏度[5]，[6]，[7]。对于润滑油，这些性质可以通过实验测量得到[8]。然而，由于制冷剂的蒸发温度较低，实验数据较为复杂，特别是在极端条件下的数据往往有限或不可用。文献中关于制冷剂R123在高压下的粘度测量最早是在2015年进行的[2]。类似地，关于制冷剂R32和R410 A以及在两种不同浓度R134a混合物的粘度测量分别于2017年进行[9]，[10]。这种差距促使人们使用分子模拟技术。
以往的文献研究采用了原子尺度方法来表征制冷剂。在[11]中，应用了经典和量子力学方法进行分子建模，以计算几何和物理化学性质，随后用于推导一组氯氟烃的状态方程参数。在[12]中，结合Green–Kubo公式进行了平衡分子动力学模拟，同时确定了十种制冷剂的剪切粘度和热导率。与实验数据相比，计算得到的传输性质的平均偏差约为剪切粘度15%，热导率10%。在[13]，[14]，[15]，[16]，[17]中，开发了各种氟丙烯制冷剂（及其混合物）的力场。这些力场用于计算蒸汽-液体平衡、蒸汽压力、饱和密度、粘度和汽化热等性质，与实验结果吻合良好，甚至探索了潜在的制冷剂混合物空间。在[18]中，报告了R-1234ze(E)、R-134a及其混合物的均匀凝结、热物理和结构性质的分子动力学模拟结果，与现有文献值吻合良好。这显示了原子尺度模拟在开发工业用新型制冷剂混合物方面的潜力。尽管存在可靠的原子尺度方法用于表征制冷剂，但在更高压力和温度下的性质数据仍然稀缺。
在这项研究中，我们提出了一个分子动力学框架，用于模拟常用在大型离心式冷水机组系统中的制冷剂R123（2,2-二氯-1,1,1-三氟乙烷）的密度和粘度。选择R123是基于实验数据的可用性（以及缺乏用于与我们的模拟结果进行比较的模拟数据），尽管根据《蒙特利尔议定书》该制冷剂已被计划逐步淘汰。
通过使用非平衡分子动力学（NEMD）和平衡分子动力学（EMD）方法，我们评估了OPLS力场的性能[19]，并评估了原子级 SLLOD[20]，[21]方程在处理小而刚性分子时的适用性（而不是使用更准确但更复杂的分子级算法版本）。将模拟结果与现有文献数据进行比较，以验证该方法的有效性，并提供关于R123在广泛压力和温度范围内的行为洞察。这项工作有助于通过实现制冷剂润滑摩擦界面的预测建模，从而推动更高效的无油轴承系统的设计。
章节摘录
系统设置
R123（2,2-二氯-1,1,1-三氟乙烷）的化学结构及其原子坐标来自PubChem数据库[22]，如图1a所示。
原子间相互作用是使用OPLS（Optimised Potentials for Liquid Simulations）力场定义的。参数通过LigParGen软件[23]，[24]，[25]生成，采用了1.14*CM1A-LBCC电荷模型来处理中性分子。Lennard-Jones和库仑相互作用采用了10 ?的截止半径
结果
系统地评估了R123在广泛条件下的热物理性质，以评估其在不同工作环境下的行为。模拟在从10 MPa到800 MPa的压力范围内进行，温度范围从298 K到373 K。这一范围涵盖了使用制冷剂作为润滑剂的压缩机等应用的相关条件；更具体地说，这些是制冷剂可能经历的条件
讨论
原子级 SLLOD运动方程最初是为单原子系统（而非分子）开发的，在该模型中，速度梯度直接应用于单个原子，假设它们在剪切场的影响下独立运动。相比之下，分子级 SLLOD形式主义将速度梯度应用于每个分子的质心，考虑了分子内部的约束和集体运动。
普遍的建议是仅对
结论
在这项工作中，我们开发并验证了一个分子动力学框架，用于模拟制冷剂R123在广泛压力和温度条件下的热物理性质。通过使用非平衡分子动力学（NEMD）和平衡分子动力学（EMD）方法，我们计算了密度和粘度值，并将它们与现有文献数据进行了比较。
尽管原子级 SLLOD形式主义最初是为单原子系统设计的，但它被证明是
CRediT作者贡献声明
塞巴斯蒂安·埃切韦里·雷斯特雷波（Sebastián Echeverri Restrepo）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。吉列尔莫·E·莫拉莱斯-埃斯佩赫尔（Guillermo E. Morales-Espejel）：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源，方法论，数据管理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项工作得到了SKF研究与发展部（位于荷兰Houten）提供的TulipX高性能计算设施的计算资源和人员支持。
