HPC4EI新项目：通过建模降低车辆喷漆能源成本

对于汽车制造商来说，汽车喷漆是一个复杂且耗能的过程，平均占工厂总能源成本的50-70%。多年来，喷涂行业一直致力于探索能源和环境友好的改善措施，优化汽车涂装工艺，如减少漆层和固化步骤，降低固化过程的温度，并寻找新的涂料基材。

据外媒报道，为了实现这一目标，劳伦斯伯克利国家实验室计算研究部数学组的研究人员与世界最大的涂料制造商之一PPG公司就高性能能源创新计算项目（HPC4EI）达成了合作伙伴关系。该项目旨在将高等数学与高性能计算资源相结合，对涂层干燥过程进行建模，并指导汽车行业新型节能涂层系统的开发。这不是这两个机构第一次合作。2016年，在HPC4Mfg项目（现为HPC4EI的一部分）中，伯克利实验室和PPG合作开发了一个数值框架，并将其用于研究和改进旋转时钟雾化，这是汽车涂层技术发展过程中的另一个关键步骤。在新项目中，研究人员专注于复杂的物理建模，以影响干燥和固化过程中涂层的流动和平整，目的是找到降低过程能耗的方法。该项目联合负责人、CRD数学小组成员Robert Saye和数学小组负责人James Sethian以及加州大学伯克利分校数学研究生Luke Corcos表示：我们的CRD团队开发了新的算法来解决与流体界面动力学相关的问题，如我们与PPG早期合作中出现的雾化问题，这是非常具有挑战性的。我们目前正与同一个PPG团队合作，但物理类型的研究完全不同。我们的重点不再是喷漆。事实上，“观察油漆干燥”比听起来复杂得多。新的数学解决方案是，油漆需要流动和整平过程才能逐渐形成光滑的薄膜，从而提供良好的外观和保护屏障。然而，受许多变量的影响，获得令人满意的最终外观是节能涂料开发中最具挑战性的挑战之一。考虑到这些挑战，该项目有两个目标：1）寻找新的方法来降低涂料固化所需的温度，从而降低烘箱的能耗；

2） 研究“共固化”的可能性，即同时施加两层，然后同时沉降。通常，当你想出一个新的绘画方案时，比如使用不同的颜料、颜色和成分，除了求助于烤箱并改变各种参数来尝试之外，没有其他好的方法。这需要多次尝试，这可能导致许多错误并消耗时间和精力， Saye表示，该项目的主要目标之一是开发数学模型和相应的算法模拟，以快速、更全面地做出预测。这项研究有望加速新多层涂层系统的推出，实现低温烘烤和协同固化，并将汽车制造商的漆线能耗降低30%温度。PPG开发工程师卢新宇指出，除了通过减少固化步骤和加快工艺时间来节省能源外，“我们的研究将为未来的水性涂料和轻型汽车基材奠定基础。”这项工作将利用多种数值方法，如高精度流解器和界面跟踪技术，以及Saye及其同事作为PPG最初合作的一部分开发的数学框架。然而，这也需要团队开发新的算法和数学。Sethian说：“解决相互关联的物理问题，包括界面动力学、流体力学、加热、固化、杂质、Marangoni应力和蒸发，是一个巨大的挑战。”Saye补充说，其中一部分乐趣是找到正确的数学算法，使框架能够处理复杂的3D模拟并在超级计算机上运行。Saye表示：我们的目标是开发一个可以模拟涂层流动的计算模型。在该模型中，存在一层或两层溶质-溶剂混合物薄膜。通过打开不同的“旋钮”模型，我们可以模拟液体如何随着烤箱温度的变化而流动、蒸发和干燥。这个项目结合了我们最近开发的一些执行技术和一些新的方法研究。实施新算法并利用高性能计算的优势也是关键。最初的项目截止日期是18个月，如果成功，可以再延长12个月。研究人员表示，如果合作成功，许多新技术最终都可以被使用和开发，包括可用于不同模拟过程的计算模型和新的数值方法。此外，为了应对其他工业和工程挑战，这次开发的数学和数值技术的应用潜力巨大，目的是优化复杂的制造工艺。

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