Математическое моделирование структуры и свойств оксидных расплавов

• Автор: Воронов, Вячеслав Игоревич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 145 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1. КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

1.1. Постановка вычислительного эксперимента.

1.2. Метод КараПаринелло квантовая молекулярная динамика

1.3. Кластерные методы квантовой химии

1.3.1. Основные модельные приближения

1.3.2. Неэмпирические методы.

1.3.3. Полуэмпирические методы.

1.4. Метод МонтеКарло и его модификации.

1.5. Метод молекулярной динамики.

1.6. Модели оксидных систем с разными потенциалами.
1.7. Статистикогеометрические методы.
1.8. Применение полимерной модели к исследованию оксидов
1.9 Выводы.
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОКИДНЫХ РАСПЛАВОВ
2.1. Комплексная модель оксидного расплава.
2.2. Имитационная молекулярнодинамическая модель
2.3. Ионная и ионноковалентная модели
2.4. Параметризация потенциальных функций
2.5. Модель структуры
2.5.1. Модель ближнего порядка.
2.5.2. Модель наноструктуры
2.6. Модель процесса полимеризации.
2.7.Модель термодинамических свойств расплава
2.8. Выводы

3. ПОДСИСТ ЕМА СТАТИСТИКОГЕОМЕТРИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЯ ИИС 8ЬАОМЕЦГ..
3.1. Постановка задачи создания ИИС.
3.2. Архитектура и состав системы.
3.3. Интеграция подсистемы БОЯ в ИИС
3.3.1. Общая архитектура подсистемы БОЯ.
3.3.2. Использование ХМЬтехнологии для обмена данными
3.3.3. Применение СОЯВАтехнологии для управления работой ЬОЯприложения
3.3.4. Структура и документация классов подсистемы БвЯ
3.4. Приложение БОЯ.
3.4.1. Структура и документация классов приложения ЬвЯ
3.4.2. Описание алгоритмов
3.4.3. Блоксхемы приложения БОЯ
3.5. Выводы.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИКОГЕОМЕТРИЧЕСКОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА.
4.1. Параметры потенциальных функций для объектов исследования
4.2. Система ЬЮ2СаО
4.2.1. Парамегры молекулярнодинамической модели.
4.2.2. Структурные характеристики ближнего порядка.
4.2.3. Исследование полимеризации
4.3. Система ЬЮ2М
4.3.1. Параметры модели
4.3.2. Структурные характеристики ближнего порядка.
4.3.3. Исследование полимеризации
4.4. Система 8Ю2Ыа
4.4.1. Параметры модели
4.4.2. Структурные характеристики ближнего порядка
4.4.3. Исследование полимеризации.
4.5. Система БОгКгО.
4.5.1. Параметры модели
4.5.2. Структурные характеристики ближнего порядка.
4.5.3. Исследование полимеризации
4.6. Выводы.
Заключение.
Список использованных источников


Разработка приложения «SGR» для моделирования систем большой размерности значительно увеличивает прогнозные возможности структурного эксперимента, а его интеграция в ИИС «Slag Melt» и создание подсистемы статистико-геометрического моделирования обеспечивает возможность удаленного доступа к компьютерному эксперименту по исследованию структурочувствительных свойств широкому кругу исследователей. Результаты работы могут быть использованы в таких областях науки как компьютерное материаловедение, физическая химия, теория металлургических процессов, а также в черной и цветной металлургии, стекольной и цементной промышленности при создании новых технологий. За последние годы существенно расширились области прикладного применения оксидов: для изготовления покрытий с тепловым контролем космических летательных аппаратов; сцинтилляторов у- жестких излучений, материалов квантовой электроиики[]. Широко применяют оксиды в металлургии черных[] и цветных[] металлов, в производстве разлагающихся полупроводниковых соединений[] и стекол[]. Все это обусловливает значительный интерес к таким системам. Потребности новейшей технологии послужили стимулом, как теории, так и эксперимента перейти к исследованию ситуаций, которые слишком сложны для чисто теоретического анализа, а прямые эксперименты затруднены или неосуществимы. В данной предметной области имеется большой разрыв между возможностями теории и эксперимента. Теоретические методы наталкиваются на серьезные трудности (нелинейность моделей, невозможность разложения в степенные ряды; низкая степень симметрии, очень большое количество подгоночных параметров, упрощающие приближения ведут к неадекватности модели и даже ошибкам). Натурные эксперименты либо чрезмерно трудоемки, либо принципиально невозможны (высокая агрессивность сред по отношению к измерительным ячейкам, химическое взаимодействие между расплавами и остальной средой, высокие температуры плавления и т. Адекватность получаемых результатов определяется достаточной точностью используемых математических моделей. Постановка вычислительного эксперимента. Можно выделить несколько основных этапов постановки компьютерного эксперимента, которые приведены в табл. Сначала физическое явление описывается с помощью математической модели, затем производится дискретная математическая аппроксимация и создается компьютерная программа, что в совокупности можно рассматривать как вычислительную модель физического явления или процесса, позволяющую проводить компьютерный эксперимент. Широкое распространение для сильновзаимодействующих систем получил компьютерный эксперимент, базирующийся на «модели частиц». Термин "модели частиц" является общим для класса вычислительных моделей, в которых дискретное описание физических явлений включает использование взаимодействующих частиц. Каждая модельная частица имеет набор сохраняющихся' атрибутов. Состояние физической системы определяется атрибутами конечного ансамбля частиц, а эволюция системы определяется законами взаимодействия этих частиц. Связь между частицами вычислительной модели и частицами физической системы в значительной степени определяется соотношениями ограниченных вычислительных ресурсов и характерных пространственных и временных масштабов физических систем. При моделировании оксидных расплавов используются модели с разными уровнями приближений: основанные на законах квантовой или классической механики. В первом случае строятся различные кластерные модели: квантово-механические «ab initio» и полуэмпирические квантовохимические, позволяющие получить ряд базисных характеристик систем исходя из «первых принципов». Во втором случае в классических молекулярно-статистических или молекулярно-динамических моделях не учитываются квантовые эффекты, но переход на этот уровень позволяет прогнозировать очень широкий круг практически важных свойств и процессов, не . В данной главе дан обзор методов компьютерного эксперимента оксидных расплавов и рассмотрены основные теоретические положения используемых в этих методах математических моделей. Квантовая молекулярная динамика (КМД) начала развиваться с года, начиная с работ Саг и Раппео[]. Математическая модель, используемая в КМД, основана на объединенном описании движения квантовых и классических частиц.