Научный отчет № 5122

Название: Моделирование физико-химических процессов и течений в микро- и наноструктурах.
Авторы: Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н.
Аннотация: Объектом исследования является взаимодействие газа с поверхностью с учетом физико-химических процессов, структуры и теплового движения атомов твердого тела, методами исследования – прямое статистическое и молекулярно-динамическое моделирование. Основные цели работы: 1. Исследование процессов адсорбции и рекомбинации на теплозащитных покрытиях методом прямого статистического моделирования Монте-Карло. 2. Исследование течения газа в микро- и наноканалах, определение характерных изменений параметров при увеличении числа Кнудсена. 3. Разработка и реализация численного метода на основе молекулярно-динамического моделирования для определения коэффициентов аккомодации энергии и диффузного отражения при учете структуры и теплового движения атомов поверхности. 5. Исследование адсорбционной способности углеродных наноструктур применительно к задаче о хранении водородного топлива. Нахождение массы адсорбированного водорода в зависимости от давления, температуры и геометрии массива нанотрубок. Определение оптимальной геометрии массива и условий, позволяющих повысить эффективность хранения водорода. Во введении обоснована актуальность и практическая значимость темы исследования. Выполнен обзор литературы по исследуемым задачам. В первом разделе даны теоретические основы прямого статистического и молекулярно-динамического моделирования. В первом параграфе сформулированы общие положения статистического моделирования, описаны модель столкновений твердых сфер и модель со стоком энергии. Описаны способы задания взаимодействия газа с поверхностью и нахождение макроскопических параметров по распределению молекулярных величин. Во втором параграфе описана тестовая задача о натекании сверхзвуковой струи разреженного газа на стенку. Дана постановка задачи, описано применение метода прямого статистического моделирования и приведены результаты тестовых расчетов, которые хорошо согласуются с теоретическими и экспериментальными результатами других авторов. В третьем параграфе сформулированы общие положения метода молекулярно-динамического моделирования. Даны уравнения движения для атомов и молекул и вид потенциалов взаимодействия различных типов. Описаны виды условий на границах расчетной области и конечно-разностная схема для интегрирования уравнений движения молекул. Во втором разделе исследована задача о гетерогенной рекомбинации атомов. В первом параграфе описан феноменологический подход, выписано аналитическое решение для степеней заполнения поверхности физически и химически адсорбированными атомами в случае, когда не учитывается поверхностная диффузия и рекомбинация по механизму Ленгмюра-Хиншельвуда. Во втором параграфе описан метод статистического моделирования Монте-Карло, показан алгоритм построения иерархии вероятностей процессов и приращения времени. Третий параграф посвящен результатам расчетов. Для случая, в котором удается найти аналитическое решение проведено сравнение с расчетами методом Монте-Карло, получено хорошее согласие. Представлены результаты расчетов коэффициента рекомбинации с учетом диффузии и рекомбинации по ассоциативному механизму. Получена немонотонная зависимость коэффициента рекомбинации от температуры, которая хорошо согласуется с экспериментальными данными. В третьем разделе исследовалось течение в микро- и наноканалах. В первом параграфе описано применение метода прямого статистического моделирования для исследуемой задачи. Представлена постановка задачи, схема расчетной области и способ организации течения. Приведены результаты расчетов: картины распределения плотности, скорости и температуры. Представлены профили скорости, полученные при различных числах Кнудсена. Второй параграф посвящен сравнению результатов, полученных с помощью модели со скольжением и прямого статистического моделирования. В заключении сформулированы основные результаты и выводы. В четвертом разделе проведено исследование закона отражения молекул газа от поверхности при учете ее структуры и теплового движения атомов с целью определения коэффициентов аккомодации энергии и диффузного отражения. В первом параграфе на основе молекулярно-динамического моделирования разработан и реализован метод расчета траекторий отражения молекул газа от поверхности, представленной движущейся атомной структурой. Описана общая схема расчета и способ определения искомых коэффициентов. Во втором параграфе представлены результаты расчетов. Показаны зависимости коэффициентов от температуры газа при различных температурах стенки, проведено сравнение с имеющимися теоретическими и экспериментальными значениями других авторов, объяснены обнаруженные эффекты. В пятом разделе исследовались процессы адсорбции водорода в углеродных наноструктурах. В первом параграфе дана постановка задачи для одиночной углеродной нанотрубки и массива трубок. Во втором параграфе описана схема молекулярно-динамического расчета, начальные распределения параметров, алгоритм поддержания температуры и получения искомых параметров. В третьем параграфе предложена феноменологическая модель на основе теории идеального адсорбированного слоя Ленгмюра для оценки массы адсорбированного водорода. В четвертом параграфе представлены результаты расчетов для одиночной трубки и массива трубок. Обнаружен и объяснен эффект образования второго слоя адсорбции при низких температурах. Проведено сравнение результатов молекулярно-динамических расчетов и феноменологической модели, которое показало применимость последней в условиях монослойной адсорбции. Проведено сравнение с имеющимися экспериментальными зависимостями. Представлена картина слоев адсорбции в массиве трубок и зависимости относительного массового содержания и средней плотности водорода в системе от температуры, давления и геометрии массива. Найдены оптимальный для адсорбции зазор между трубками и условия, при которых оптимизация массива может существенно повысить эффективность хранения водорода. В заключительной части приведены основные результаты исследования. Численные методы, развитые в работе, могут использоваться для определения законов отражения молекул от поверхности различных материалов, моделирования течения и теплообмена в микроканалах и определения адсорбционной способности наноструктур. Полученные результаты могут быть полезны при планировании и проведении экспериментов по определению закона взаимодействия между газом и поверхностью твердого тела и проектировании покрытий с заданными свойствами. В работе получены количественные оценки для массы адсорбированного водорода и найдена оптимальная для адсорбции геометрия массива, что может быть использовано при решении вопроса о целесообразности применения наноструктур для хранения водорода и при проектировании таких систем.
Год публикации: 2010 г.
Объём: 100 с.
Научный руководитель: Ковалев В.Л.
Ключевые слова: каталитические процессы на поверхности, прямое статистическое моделирование, молекулярно-динамическое моделирование, течение в каналах, условие скольжения, адсорбция в наноструктурах