Моделирование процессов испарения и сублимации материалов в неравновесных высокотемпературных средах с использованием метода прямого статистического моделирования Монте-Карло

• Автор: Кусов, Андрей Леонидович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 172 с. : ил.

Введение
Принятые обозначания и сокращения
Глава 1 Метод прямого статистического моделирования Монте-Карло для высокотемпературных газов
1.1 Изложение идеи метода ПСМ для газовых течений
1.2 Задание начального состояния газа
1.3 Выбор сталкивающихся частиц и расчёт количества молекулярных столкновений
1.4 Расчёт динамики молекулярных столкновений
1.5 Граничные условия в методе ПСМ для течений газов
1.6 Вычисление макропараметров
1.7 Моделирование пространственных течений и перенос частиц в расчётной области
Глава 2 Моделирование методом ПСМ течений разреженных газов
2.1 Теплообмен между двумя пластинами, цилиндрами, соосными сферами.
2.2 Течение Куэтта
2.3 Задача Релея
2.4 Обтекание цилиндра и сферы свободномолекулярным потоком
2.5 Граничные условия со скольжением для уравнений Навье-Стокса на обтекаемых газом твёрдых поверхностях
2.6 Численное моделирование экспериментов с обтеканием сферо-цилиндра в разреженном газе
2.7 Выводы
Глава 3 Задача о волне сублимации
3.1 Моделирование испарения (сублимации) методом ПСМ
3.2 Граничные условия на выходной границе в методе ПСМ
3.3 Стационарная волна сублимации
3.4 Нестационарная волна сублимации
3.5 Сферическая волна сублимации

3.6 Выводы
Г лава 4 Решение задачи об испарении частиц мелкодисперсного порошка и капель жидкости в плазменном потоке ВЧ-плазмотрона
4.1 Использование высокочастотных индукционных плазмотронов для получения наноструктурированных материалов и нанесения покрытий плазмохимическим способом
4.2 Уравнения движения частицы в потоке высокотемпературного разреженного газа
4.3 Определение потоков массы, энергии и коэффициента сопротивления в разреженном высокотемпературном потоке
4.4 Определение параметров испаряющихся частиц при их движении в разреженном высокотемпературном потоке
4.5 Влияние излучения окружающих частиц порошка на нагрев частицы
4.6 Возможность реализации метода PIV на ВЧ-плазмотроне
4.7 Выводы
Заключение
Литература
Введение
Актуальность темы
В настоящее время для реализации целого ряда технологических процессов получения и модификации различных материалов широкое распространение получили высокочастотные индукционные плазмотроны (ВЧ-плазмотроны). В число таких процессов входят: получение
наноструктурированных материалов, сфероидация порошков, нанесение различных покрытий [17, 39, 73]. Исходным продуктом для осуществления этих процессов служат мелкодисперсные порошки различных веществ. Наиболее заметные работы, связанные с внедрением и использованием ВЧ-плазмотронов большой мощности выполнили Бабат Г.И., Дресвин С.В., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Гордеев А.Н., Колесников А.Ф., Якушин М.И., Жестков Б.Е., Кузьмин Л.А., Boulos M.I..
Имеется обширная литература (см., например, [73]), где исследуются процессы испарения гранул ультрадисперсных порошков в потоке высокотемпературного газа. В последенее время благодаря развитию оптической техники появилась возможность более широкого исследования таких процессов (см., например, [49]) с диагностикой параметров испаряющихся частиц непосредственно в потоке газа. Теоретический анализ проводился в основном в рамках течения сплошной среды около частиц порошка, что, как показано в данной работе, является некорректным во многих практических случаях использования испарения материалов в плазменном потоке. Достаточно полное и подробное исследования испарения сферы в среду, заполненную паром испаряющегося вещества в области больших чисел Кнудсена, проведено в [100] на основе решения упрощённого уравнения Больцмана. В данной работе используется метод прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ), который, являясь более простым для реализации, одновременно позволяет точнее описать процесс испарения вещества.

Трудоёмкость метода мажорантной частоты пропорциональна полному числу моделирующих частиц.
Во всех рассмотренных схемах имеется один недостаток: за шаг по времени происходит чуть больше столкновений, чем должно быть. Потому что в один шаг по времени никогда не уложится целое число времён столкновений. Решение этой проблемы предложено В.Е. Яницким и заключается в том, что необходимо запомнить на текущем шаге по времени разность суммарного времени столкновений и временного шага. Затем на следующем шаге по времени в той же ячейке уменьшить шаг по времени для столкновений на эту величину. Таким образом, полное количество столкновений будет стремиться к истинному значению при увеличении произведения средней частоты столкновений на полное время.
1.4 Расчёт динамики молекулярных столкновений
Одно столкновение моделирующих частиц с весами означает столкновение двух молекулярных пучков, В которых (/) и (р2 реальных молекул соответственно. В основном в этом параграфе будет идти речь о столкновении частиц с одинаковыми весами. Случай разных весов будет рассмотрен в конце параграфа. Рассмотрим столкновение двух молекул газа с массами т и ти2-В отсутствии внешних сил должен сохраняться импульс центра масс, таким образом, скорость центра масс остаётся постоянной, меняется лишь относительная скорость сталкивающихся частиц. Относительная скорость £ и скорость центра масс Уст равны [79]
*=г,-с2, уст=т±ш±' (1.4.1)
от, + т
После столкновения определяется новое значение относительной скорости £', после чего новые скорости частицы определяются из соотношений [79]:
г; = К„, + г] = Кт -(1-4.2)
от, + от, от, + от,