Математическое моделирование металлургических расплавов квантово-химическими методами

• Автор: Трофимова, Лидия Ароновна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Курган
• Количество страниц: 173 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЗОР МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИКИ И СВоАтв

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

1.1. Метод квантовой молекулярной динамики.

1.2. Кластерные методы квантовой химии

1.2.1. Метод молекулярной механики.

1.2.2. Полуэмпирические методы.

1.2.3. Неэмпирические методы.

1.3. Методы частиц.

1.3.1.Классическая молекулярная динамика.

1.3.1.1. Ионная модель.

1.3.1.2. Ионноковалентная модель ИКМ
1.3.2. Метод Монте Карло.
1.3.2.1. Модель с потенциалом
1.3.2.2. Решеточная модель
1.4 Методы расчета энергетических параметров.
1.4.1. Методы оценки энергии связи.
1.4.2. Параметризация потенциальных функций
1.5. Выводы
2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ МЕЖЧАСТИЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПОЛИМЕРИЗУЮЩИХСЯ РАСПЛАВАХ НА ОСНОВЕ КВАНТОВОХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
2.1. Система классов математических моделей программного комплекса
2.2. Анализ потенциальных функций, используемых в различных моделях сильновзаимодействующих систем.
2.2.1 .Приближение парного сферически симметричного потенциала.
2.2.2. Приближение ковалентного потенциала.
2.2.3. Ионноковалентное приближение.
2.3. Разработка моделей потенциальных функций, основанных на квантовохимическом моделировании методом МЫБО
2.3.1. Основные положения математической модели для квантовохимических расчетов
2.3.2. Построение моделей представительных кластеров.
2.3.3 Исследование применимости МШОрасчетов для построения потенциальных кривых.
2.3.3.1. Энергия связи.
2.3.3.2. Энергия напряжения
2.3.3. Методика построения парных потенциальных функций на основе
двухцентровых энергий
2.3.4. Методика построения потенциальных функций для ионноковалентной модели с учетом ближайшего окружения.
2.4. Выводы
3. ПОДСИСТЕМА КВАНТОВОХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИИС ШЛАКОВЫЕ РАСПЛАВЫ
3.1. Постановка задачи создания подсистемы квантовохимического моделирования
3.2. Архитектура и состав системы Шлаковые расплавы
3.3. Разработка программного комплекса квантовохимического моделирования
3.3.1. Основные этапы работы программы МШО.
3.3.1. Программаадаптер МЫОО
3.3.2. База данных квантовохимического моделирования
3.3.2.1. Построение концептуальной модели
3.3.2.2. Построение логической модели
3.3.2.3. Физическая реализация базы данных
3.4. Интеграция подсистемы квантовохимического моделирования в ИИС Шлаковые распоавы.
3.5. Выводы.
4. КВАНТОВОХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОТЕНЦИАЛОВ МЕЖЧАСТИЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
4.1. Методика расчета двухцентровых энергий в представительном кластере с помощью программы МЫОО
4.2. Индивидуальные оксиды
4.2.1. Система А.
4.2.2.Система В ОА
4.2.3. Система АА.
4.3. Исследование влияния на связь катионовсеткообразователей
4.3.1. Система В.
4.3.2. Система А
4.2.3. Система В0А1.
4.4. Исследование влияния на связь катионовмодификаторов.
4.4.1.Системы содержащие одновалентные катионымодификаторы
4.4.2. Системы, содержащие двухвалентные катионымодификаторы
4.5. Параметризация сулерпозиционных потенциалов с физически
обоснованными вкладами
4.7. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ


Разработка программного комплекса в виде подсистемы квантовохимического моделирования и интеграция ее в информационноисследовательскую систему с удаленным доступом Шлаковые расплавы существенно расширяет возможности вычислительного эксперимента в физической химии оксидных расплавов, позволяя прогнозировать комплекс свойств оксидных расплавов, а также исследовать влияние механизма межчастичного взаимодействия,, описанного с разным уровнем приближения ионное, ковалентное, ионноковалентное на эти свойства. Полученные данные позволяют установить взаимосвязь между характером межчастичных взаимодействий в расплаве и свойствами системы, что позволяет глубже вникнуть в природу расплавленных систем и использовать эти данные при создании новых технологий для металлургических переделов. Результаты работы расширяют наши знания о природе полимеризующихся шлаковых расплавов, а созданный инструментарий и разработанные методики углубляют и облегчают возможности исследования оксидных систем методами компьютерного моделирования. Результаты работы могут быть использованы в таких областях науки как компьютерное моделирование, физическая химия, теория металлургических процессов, а также в черной и цветной металлургии, стекольной и цементной промышленности при создании новых технологий. Основа большинства металлургических шлаков оксидные расплавы. Структура расплава является категорией, определяющей большинство практически важных его свойств, но без знания детальной информации о межчастичных взаимодействиях, невозможно решение задач физикохимического моделирования структуры и свойств. В физической химии металлургических расплавов в настоящее время получили развитие три направления компьютерного моделирования квантовохимические методы, молекулярностатистические методы и динамическое моделирование. В данной главе дан обзор методов компьютерного моделирования оксидных расплавов и рассмотрены основные теоретические положения используемых в этих методах математических моделей. Математическая модель, используемая в квантовой молекулярной динамике КМД, основана на объединенном описании движения квантовых и классических частиц. В модели одновременно рассчитывается изменение волновой функции, описывающей электроны и изменение координат атомов, т. Шредингера и Ньютона. При таком подходе, использующем расчет методом функционала электронной плотности, явно представлены электронные эффекты, поэтому нет необходимости в феноменологическом описании межчастичного взаимодействия. Шк и Хг массы и радиусывекторы ядер, и потенциальная энергия, являющаяся функцией электронных плотностей и ядерных координат. Метод квантовой молекулярной динамики
ткХкЧхи
где ЛГ Лагранжевы множители, вводимые чтобы сохранить ортогональность орбиталей функционала плотности. Масса является фиктивной, так как динамически связана с варьируемыми параметрами одноэлектронных орбиталей функционала плотности. При этом путем интегрирования по временному шагу уравнений и последующего сканирования кинетической энергии системы, д так, чтобы Т0, достигается конфигурация, которая соответствует локальному минимуму суммы электронной и ядерной энергий. Используются и другие методы для нахождения конфигураций, соответствующих локальному минимуму суммы потенциальной электронной и ядерной энергий, в частности, метод наискорейшего спуска. В этих расчетах вектор, содержащий варьируемые параметры как в электронной волновой функции, так и в ядерных координатах. Каждый шаг включает изменение всех параметров и движение в направлении наискорейшего спуска на потенциальной гиперповерхности к локальному минимуму. Этот априорный подход получил дальнейшее развитие в работах 0,,0. Однако для реализации метода КМД требуются компьютерные мощности на несколько порядков превышающие те, которые наиболее распространены в настоящее время. В частности векторные процессоры с параллельной архитектурой с быстродействием порядка миллиарда операций в секунду, а объемы оперативной памяти должны составлять порядка сотни МБ. Время расчетов на Сгау2 одного электрона 0 классических частиц требует около часов. Но даже при использовании самой мощной современной техники в настоящее время удается реализовать расчеты только нескольких десятков квантовых частиц.