Программно-инструментальные средства численного моделирования процессов адсорбции, хранения и десорбции водорода статическими и динамическими наноструктурами

• Автор: Суетин, Михаил Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 131 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

МОДЕЛИРОВАНИЯ АДСОРБЦИИ, ХРАНЕНИЯ И ДЕСОРБЦИИ ВОДОРОДА НАНОСТРУКТУРАМИ.

1.1 Моделирование адсорбции, хранения и десорбции водорода наноструктурами методом молекулярной динамики

1.1.1 Метод молекулярной динамики

1.1.2 Периодические граничные условия

1.2 Алгоритмы численного расчта.

1.2.1 Алгоритм предикторкорректор.

1.2.2 Предиктор корректор алгоритм Нордсика

1.2.3 Алгоритм Верле.

1.2.4 Скоростной алгоритм Верле

1.2.5 Алгоритм Верле прыжков лягушки
1.3 Вычисление термодинамических параметров моделируемой системы
1.4 Программный комплекс.
1.4.1 Блок подготовки
1.4.2 Вычислительные модули
1.4.3 Блок согласования
1.4.4 Блок обработки результатов.
1.5 Тестовые расчты.
1.5.1 Моделирования адсорбции водорода в нанотрубку с параметрами 9,
1.5.2 Сравнение результатов моделирования структуры фуллерена и фуллерита с опытными данными.
1.5.3 Устойчивость, сходимость и точность
Выводы по главе
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИИ, ХРАНЕНИЯ И
ДЕСОРБЦИИ ВОДОРОДА СТАТИЧЕСКИМИ НАНОСТРУКТУРАМИ ФУЛЛЕРЕНАМИ И ДЕФЕКТНЫМИ ФУЛЛЕРЕНАМИ.
2.1 Адсорбирование молекул водорода фуллеренами
2.1.1 Постановка задачи
2.1.2 Результаты моделирования.
2.2 Адсорбирование молекул водорода дефектными фуллеренами.
2.2.1 Постановка задачи
2.2.2 Результаты расчтов
2.3 Адсорбирование молекул водорода в кластеры, образованные фуллеренами
2.3.1 Постановка задачи
2.3.2 Результаты моделирования.
Выводы по главе
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИИ, ХРАНЕНИЯ И
ДЕСОРБЦИИ ВОДОРОДА ДИНАМИЧЕСКИМИ НАНОСТРУКТУРАМИ НАНОКАПСУЛАМИ
3.1 Постановка задачи моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода нанокапсулами при изменении термодинамических условий.
3.1.1 Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . и фуллерена С6о.
3.1.2 Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . и двух фуллеренов Сбо.
3.1.3 Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в
нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . и фуллерена С2ю
3.2 Постановка задачи моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода нанокапсулами при изменении электрического поля .
3.2.1 Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . и фуллерена С6о
3.2.2 Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в
нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . и фуллерена С8о
Выводы по главе 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ. ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЯ АДСОРБЦИИ, ХРАНЕНИЯ И ДЕСОРБЦИИ ВОДОРОДА НАНОСТРУКТУРАМИ. Алгоритмы численного расчта. Алгоритм предикторкорректор. Алгоритм Верле. Программный комплекс. Блок обработки результатов. Тестовые расчты. Сравнение результатов моделирования структуры фуллерена и фуллерита с опытными данными. ГЛАВА 2. ДЕСОРБЦИИ ВОДОРОДА СТАТИЧЕСКИМИ НАНОСТРУКТУРАМИ ФУЛЛЕРЕНАМИ И ДЕФЕКТНЫМИ ФУЛЛЕРЕНАМИ. Постановка задачи
2. Результаты моделирования. Адсорбирование молекул водорода дефектными фуллеренами. Результаты моделирования. ГЛАВА 3. Постановка задачи моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода нанокапсулами при изменении термодинамических условий. Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . С6о. Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . Сбо. Постановка задачи моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода нанокапсулами при изменении электрического поля . Результаты моделирования адсорбции, хранения и десорбции водорода в нанокапсуле, состоящей из нанотрубки . Выводы по главе 3. Н2, аппроксимированной к эллипсу масса всех молекул водорода
т0 масса атома водорода 1, кг р плотность водорода. Фуллерен сферическая молекула, состоящая из атомов углерода, объединнных в пентагональные и гексагональные кольца. Фуллерит молекулярный кристалл, состоящий из фуллеренов. Нанотрубка цилиндрическая молекула, состоящая из атомов углерода, объединнных в гексагональные кольца. Нанотрубка представляется как сврнутый в цилиндр лист графена слой графита в один атом. Параметры нанотрубки определяются хиральными векторами парой чисел т,п, указывающие координаты того гексагонального кольца, который должен совпасть с гексагональным кольцом, находящимся в начале координат. НанокапсужХ сложная наноструктура, состоящая из нанотрубки находящейся в ней фуллерена. Актуальность темы. Экономическая и экологическая ситуации в мире сложились таким образом, что человечество вынуждено искать новые виды топлива, альтернативное ископаемым. Таким топливом может быть водород. Однако его внедрение в промышленных масштабах сдерживают проблемы экономической эффективности, решение которых, в свою очередь, зависит от преодоления трудностей, связанных с хранением водорода. Для хранения водорода используются четыре основные технологии, позволяющие хранить водород в виде сжатого газа, жидкости, металлогидридов и при помощи адсорбции водорода углеродными наноматериалами, ,,1. Е энергия, содержащаяся в атомах водорода
энергетическая массовая плотность Ет
Химическая энергия в природе основана на энергии неспаренных внешних электронов валентных электронов, которые стабилизируются электронами других атомов. Водород является наиболее привлекательным топливом и за того, что его атомы состоят только из одного протона и электрона. Менделеева числа валентных электронов к числу протонов и нейтронов, что характеризует высокую энергетическую массовую плотность. На рис. Видно, что значение энергетической массовой плотности водорода превосходит показатели других видов топлива почти в два с половиной раза. Рис. Плотность водорода при давлении 0,1 МПа и температуре 3 К равна 0,9 кгм3, что обуславливает создание систем хранения, в которых водород имеет более высокую плотность. На рис. Здесь, в отличие от рис. ГДжм3, газообразный водород при МПа 4,7 ГДжм3, и водород в наноструктурах 3,5 ГДжм3. I
I
о
I
о. Рис. Энергетическая объмная плотность ГДжм3 традиционных видов топлива и водорода в различных способах хранения. Сравнивая четыре приведнных способа хранения по объмной плотности водорода внутри систем хранения, рис. МПа кгм3 и водород в наноструктурах кгм3. На рис. К и давлении 0,1 МПа, затем в сжиженном состоянии 1,6 масс. К и давлении 0,1 МПа и в наноструктурах 0, масс. I . Рис. Рис.