HPC4EI新项目：通过建模降低车辆喷漆能源成本

新能源汽车讯 对汽车制造厂家来说，给汽车涂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型改良措施，优化汽车涂装工艺，如减少漆层及固化步骤，降低固化过程的温度，并寻找新涂层基质。

（图片来源：CRD）

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门(CRD)数学组的研究人员，与全球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)达成合作。该项目旨在将高等数学与高性能计算资源结合在一起，对涂层干燥过程进行建模，指导开发汽车产业新节能涂层系统。

这不是两家机构第一次合作。2016年，在HPC4Mfg项目(现为HPC4EI的一部分)中，伯克利实验室和PPG合作开发数值框架，并利用该框架来研究和改进旋转钟雾化，这是汽车涂装工艺发展进程的另一关键步骤。

在新项目中，研究人员专注于复杂的物理建模，以在涂料干燥和固化过程中影响涂料的流动和流平，其目的是寻找减少过程能耗的方法。该项目共同负责人、CRD数学组成员Robert Saye、数学组负责人James Sethian，以及以及加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的数学研究生Luke Corcos表示：“我们的CRD团队开发了新的算法，以解决涉及流体界面动力学的问题，例如我们与PPG早期合作中出现的雾化问题，这些问题相当具有挑战性。我们现在和同一个PPG团队合作，但研究的物理类型却截然不同。我们关注的不再是喷漆了。事实上，‘看着油漆变干’比听起来要复杂得多。”

全新数学解决方案

油漆需要经过流动和流平过程，才能逐渐形成光滑的膜，提供良好的外观和保护屏障。但是，受到诸多变量影响，如何获得令人满意的最终外观，是开发节能涂层过程中最困难的挑战之一。考虑到这些挑战，本项目有两个目标：1）寻找新方法，降低油漆凝固所需的温度，从而减少烘箱消耗的能量；2）研究“共固化”的可能性，即一次涂两层，然后同时沉降。

“通常情况下，当你想出一个新的涂漆方案，比如采用不同的颜料、色彩和构图，除了诉诸烤箱，改变各种参数进行尝试，没有别的好办法。这其中要试很多次，会产生很多错误，而且很耗时间和精力。”Saye表示，“本项目的主要目标之一是，开发数学模型及相应的算法模拟，以快速、更普遍地做出预测。”

此项研究有望加速推出新型多层涂层系统，实现更低温度烘烤协同固化，为汽车制造商减少高达30%的油漆线能耗。PPG开发工程师Xinyu Lu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板提供基础。”

这项工作将利用若干数值方法，如高度精确的流动求解器和界面跟踪技术，以及Saye和同事开发的数学框架的组成部分，作为PPG初始合作的部分内容。 但是，也需要团队开发新的算法和数学。

Sethian称：“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、马朗戈尼应力和蒸发，是巨大的挑战。”

Saye补充道，部分乐趣在于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：“我们的目标是开发能够模拟涂层流动的计算模型，在这种模型中，有一到两层溶质-溶剂混合物薄膜,打开不同的‘旋钮’模型，就可以模拟随着烤箱温度的变化，液体是如何流动、蒸发和干燥的。这个项目结合了我们最近开发的部分执行技术和部分全新方法研究。实施新算法并利用高性能计算的优势，也将是关键。”

最初项目期限是18个月，如果成功，可再延长12个月。研究人员表示，如果合作成功，最终可以使用和开发很多新技术，包括可用于不同模拟过程的计算模型和全新数值方法。而且，对于应对其它工业和工程挑战，此次开发的数学和数值技术的应用潜力巨大，其目的是优化复杂的制造过程。