Математическое моделирование кинетики сталкивающихся частиц

Диссертационная работа посвящена исследованию двух физических явлений, связанных с кинетикой сталкивающихся частиц:

1. случай больцмановского газа, приводящий к пространственно однородному уравнению Смолуховского,.

2. пространственно неоднородная коагуляция в дисперсных системах.

Для исследования данных явлений используется прямое имитационное моделирование на уровне отдельных молекул, основанное на методе Монте-Карло.

Объектом исследования диссертационной работы являются сложные системы взаимодействующих между собой частиц в процессе их движения. Предметом исследования являются кинетические системы, численные и имитационные методы моделирования процессов переноса вещества в дисперсных системах.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется необходимостью тестирования и обоснования прямого имитационного моделирования для решения задач, связанных с процессами переноса вещества в системах сталкивающихся частиц, установления связи прямого моделирования с уравнениями Больцмана и Смолуховского.

Интерес к системам сталкивающихся частиц обусловлен исследованиями в авиационной и космической технике, вакуумной технике, химической технологии. Уравнения гидрои газовой динамики обладают уникальной универсальностью в том смысле, что они описывают основные физические процессы большинства современных технологий и экологических проблем от производства элементной базы микроэлектронной промышленности до переноса токсических компонентов воздушными потоками. Потребность в гидрои газодинамических расчетах возрастает еще и потому, что по мере развития численных методов и бурного прогресса вычислительной техники увеличиваются возможности математического моделирования газодинамических процессов, и как следствие рост доверия инженеров и конструкторов к результатам вычислительного эксперимента. Помимо внешних стимулов со стороны промышленности неослабевающий интерес к развитию вычислительной гидрои газовой динамики поддерживается и внутренней логикой научного исследования этой интереснейшей с точки зрения развития механики, прикладной и общей математики проблемы [6].

Интерес к процессу коагуляции обусловлен исследованиями в метеорологии, экологии, астрономии, теории реакторов на быстрых нейтронах. Напрямую с явлениями коагуляции связаны процессы роста трещин в структуре материалов за счет их взаимных пересечений. Это имеет прямое отношение к задачам динамики разрушения деталей. Процессы коагуляции лежат в основе явлений полимеризации, створаживания, свертываемости крови.

Важность прямого имитационного математического моделирования для расчета систем сталкивающихся частиц обусловлена тем, что необходимо иметь соответствие между решениями уравнения Больцмана и распределением частиц в реальных физических системах. Возможно проведение сравнительного анализа результатов имитационного моделирования с точными решениями и решениями, полученными с помощью разностных схем. При этом большое значение имеют правила подготовки спектров имитационного моделирования для последующего сравнения с точными решениями.

В настоящее время найдены точные решения уравнения Больцмана для сравнительно простых случаев малых градиентов температуры, скорости и концентраций в газе. Существуют ситуации, когда уравнение Смолуховского не имеет классического решения. Поэтому прямое имитационное моделирование процессов коагуляции имеет большое прикладное значение. Быстрый рост производительности вычислительной техники, использование многопроцессорных вычислительных систем делают реальной возможность детального моделирования газодинамических потоков.

Целью данной работы является разработка алгоритмов, реализация программного обеспечения и проведение вычислительных экспериментов прямого имитационного моделирования систем сталкивающихся частиц для специального случая одноатомного больцмановского газа и случая пространственно неоднородной коагуляции дисперсных систем.

В рамках исследуемой проблемы следует выделить основные задачи:

1. Разработка, реализация алгоритма прямого моделирования и создание программного обеспечения для расчета специального случая больцмановского газа, приводящего к пространственно однородному уравнению Смолуховского.

2. Разработка, реализация алгоритма прямого моделирования и создание программного обеспечения для расчета пространственно неоднородной коагуляции частиц, описываемой уравнением Смолуховского.

3. Исследование пределов аппроксимации прямого имитационного моделирования для решения нелинейных кинетических уравнений типа Больцмана.

4. Обоснование и сравнение точности тестовых расчетов результатов имитационного моделирования процесса парной коагуляции с точными решениями.

Методами исследования являются:

1. Вычислительный эксперимент.

2. Проведение тестирования вычислительного эксперимента.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Проведение вычислительного эксперимента на основе имитационной модели поведения больцмановского газа для одноуровневого и многоуровневого взаимодействия частиц. Проведение детального сравнительного анализа полученных результатов.

2. Проведение вычислительного эксперимента на основе прямого имитационного моделирования процесса пространственно неоднородной парной коагуляции без источника для широкого класса интенсивностей взаимодействия частиц и начальных данных. Проведение детального сравнительного анализа полученных результатов.

3. Алгоритм и программная реализация на ЭВМ прямого имитационного моделирования специального случая больцмановского газа, приводящего к пространственно однородному уравнению Смолуховского.

4. Алгоритм и программная реализация на ЭВМ прямого имитационного моделирования процесса парной коагуляции в пространственно неоднородном случае без источника.

Достоверность научных положений, выводов. Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям физико-математических наук, базируются на сравнительном анализе результатов вычислительного эксперимента. Достоверность результатов обусловлена проведением тестирования вычислительного эксперимента на основе сравнительного анализа с точными решениями и физическим экспериментом.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено детальное сравнение спектров распределения молекул газа по кинетическим энергиям с точными решениями пространственно однородного уравнения Смолуховского и решениями, полученными с помощью разностных схем.

2. Проведено детальное сравнение спектров распределения частиц по массам с точными аналитическими решениями пространственно неоднородного уравнения Смолуховского и решениями, полученными с помощью разностных схем для широкого класса интенсивностей взаимодействия частиц и начальных данных.

3. Исследована новая математическая модель больцмановского газа, основанная на применении метода прямого имитационного моделирования.

4. Создан алгоритм и программное обеспечение для моделирования поведения специального случая одноатомного больцмановского газа, в котором молекулы представляют собой твердые сферы, и парные соударения молекул происходят под прямым углом.

5. Обоснована математическая корректность исследуемой модели больцмановского газа, приводящей к модели парной коагуляции кинетических энергий соударяющихся частиц.

6. Исследована новая математическая модель пространственно неоднородной коагуляции без источника при наличии дисперсии скоростей свободного переноса частиц, основанная на применении метода прямого имитационного моделирования.

7. Создан алгоритм и программное обеспечение для прямого имитационного моделирования процесса пространственно неоднородной парной коагуляции без источника.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Проведено детальное сравнение спектров распределения частиц по кинетическим энергиям и массам с точными решениями уравнения Смолуховского и численными решениями, полученными с помощью разностных схем. Это дает более точное и глубокое понимание смысла решения уравнения Смолуховского для пространственно однородной и неоднородной модели.

2. Реализованная имитационная модель больцмановского газа может быть применена для моделирования динамики облаков, распределения пор и газовых пузырьков в твердом теле.

3. Алгоритм прямого имитационного моделирования пространственно неоднородной коагуляции и программное обеспечение может быть использовано для моделирования роста трещин в структуре материалов, моделирования роста кристаллов.

Личный вклад автора. Наиболее существенными научными результатами, полученными лично соискателем, являются:

1. Вычислительный эксперимент по отысканию связи результатов прямого моделирования с аналитическими и численными решениями уравнения Больцмана для специальной модели разреженного газа в случае одноуровневого и многоуровневого взаимодействия молекул.

2. Вычислительный эксперимент по отысканию связи результатов прямого моделирования с аналитическими и численными решениями пространственно неоднородного уравнения Смолуховского для широкого класса интенсивностей взаимодействия и начальных данных.

3. Детальный сравнительный анализ полученных результатов с точными решениями уравнения Смолуховского.

4. Алгоритм прямого имитационного моделирования и программная реализация на ЭВМ математической модели специального случая больцмановского газа, приводящего к коагуляции кинетических энергий соударяющихся частиц.

5. Алгоритм прямого имитационного моделирования и программная реализация на ЭВМ процесса пространственно неоднородной коагуляции в дисперсных системах без источника частиц.

Публикации. Основные публикации по теме диссертации:

1. Галкин В. А., Осецкий Д. Ю. Случай больцмановского газа, приводящий к уравнению коагуляции Смолуховского // ЖВМ и МФ, 2006, Т. 46, № 3, С. 535−547.

2. Галкин В. А., Осецкий Д. Ю. Математическое моделирование кинетики коагуляции // Математическое моделирование, 2006, Т. 18, № 1, С. 99−116.

3. Галкин В. А., Забудько М. А., Осецкий Д. Ю., Рыжиков Д. А., Галкина И. В. Математическое моделирование процессов роста агломератов // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук, 2005, Вып. 8, С. 31−35.

4. Галкин В. А., Осецкий Д. Ю. Математическое моделирование кинетики пространственно неоднородной коагуляции // Сборник трудов 6-й Международной конференции «Рост монокристаллов и тепломассоперенос (ICSC 2005)», Обнинск, 25−30 сентября, 2005. — Т. 3, С. 612−621.

5. Осецкий Д. Ю. Разработка программного комплекса для математического моделирования кинетики коагуляции // Сборник научных работ лауреатов областных премий и стипендий. Выпуск 1-Калуга: КГПУ им. К. Э. Циолковского, 2005. С. 171−177.

6. Галкин В. А., Забудько М. А., Осецкий Д. Ю., Рыжиков Д. А., Галкина И. В. Математическое моделирование процессов роста агломератов в приближения Смолуховского и Власова-Лиувилля-Смолуховского // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2005, Вып. 1(28), С. 67−74.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались диссертантом на следующих научных конференциях и семинарах:

1. 8-я Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», г. Обнинск, 6−8 октября 2003 г.

2. 6-й Международный конгресс по математическому моделированию, г. Нижний Новгород, 20−26 сентября 2004 г.

3. 2-я международная конференция «Математические идеи П. Л. Чебышева и их приложения к современным проблемам естествознания», г. Обнинск, 26−29 ноября, 2004 г.

4. 8-й Международный семинар «Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VIII)», г. Обнинск, 14−18 июня 2005 г.

5. 6-я Международная конференция «Рост монокристаллов и тепломассоперенос (ICSC 2005)», г. Обнинск, 25−30 сентября 2005 г.

6. 9-я Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», г. Обнинск, 24−28 октября 2005 г.

Выполнение исследований в рамках настоящей работы было поддержано грантом РФФИ, код проекта 05−01−00688(A).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 95 страницах, в том числе основного текста 91 страница, 13 рисунков, список литературы из 50 наименований на 4 страницах.

3.5 Выводы по главе.

Центральной проблемой математического моделирования в нелинейной физической кинетике, описываемой уравнениями больцмановского вида, к которым относится уравнение Смолуховского, является доказательство адекватности реального физического процесса столкновений частиц соответствующему уравнению. Глава 3 посвящена сходимости метода непосредственного моделирования к решениям пространственно неоднородного уравнения коагуляции Смолуховского. Приводится схема моделирования явления, основанная на прямом случайном розыгрыше (метод Монте-Карло) физического процесса на уровне отдельных частиц. Для случая пространственно неоднородной коагуляции демонстрируется сходимость результатов имитационного алгоритма к точным решениям уравнения Смолуховского и приближенным решениям, полученным с помощью разностных схем для различных ядер взаимодействий, начальных условий и скоростей свободного переноса.

Результаты исследований были представлены автором на следующих международных конференциях и семинарах:

1. 8-й Международный семинар «Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-VIII)», г. Обнинск, 14−18 июня 2005 г.

2. 6-я Международная конференция «Рост монокристаллов и тепломассоперенос (ICSC 2005)», г. Обнинск, 25−30 сентября 2005 г.

3. 9-я Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», г. Обнинск, 24−28 октября 2005 г.

Результаты исследований опубликованы в реферируемых научных журналах:

1. Галкин В. А., Осецкий Д. Ю. Математическое моделирование кинетики коагуляции // Математическое моделирование, 2006, Т. 18, № 1, С. 99−116.

2. Галкин В. А., Забудько М. А., Осецкий Д. Ю., Рыжиков Д. А., Галкина И. В. Математическое моделирование процессов роста агломератов // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук, 2005, Вып. 8, С. 31−35.

3. Осецкий Д. Ю. Разработка программного комплекса для математического моделирования кинетики коагуляции // Сборник научных работ лауреатов областных премий и стипендий. Выпуск 1.-Калуга: КГПУ им. К. Э. Циолковского, 2005. С. 171−177.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе рассмотрены вопросы применения имитационного моделирования, основанного на методе Монте-Карло, для исследования систем сталкивающихся частиц. Рассмотрен особый случай разреженного газа, при котором возможен переход от уравнения Больцмана к пространственно однородному уравнению коагуляции Смолуховского. Впервые построен алгоритм имитационного моделирования пространственно неоднородной коагуляции. В качестве основных можно выделить следующие результаты:

1. Исследована новая математическая модель больцмановского газа, приводящая к уравнению Смолуховского пространственно однородной коагуляции. Рассмотрен переход от уравнения больцмановского типа к уравнению коагуляции кинетических энергий сталкивающихся молекул. Разработан алгоритм прямого имитационного для моделирования процесса столкновений молекул разреженного газа. Создана и протестирована компьютерная программа на ЭВМ для алгоритма прямого имитационного моделирования. Реализованная математическая модель парного столкновения частиц больцмановского газа может быть применена для моделирования динамики облаков, распределения пор и газовых пузырьков в твердом теле, а также для имитационного моделирования роста кристаллов.

2. Проведен вычислительный эксперимент на основе имитационной модели процесса коагуляции кинетических энергий молекул больцмановского газа при наличии одного или нескольких энергетических уровней. Выведена формула для коэффициента сокращения фазового объема, которая играет важную роль в определении начального распределения молекул по энергетическим уровням. Впервые проведено детальное сравнение спектров распределения частиц по кинетическим энергиям с точными решениями уравнения Смолуховского и решениями, полученными с помощью разностных схем. Сравнительный анализ дает более точное понимание смысла функции — решения в уравнении Смолуховского.

3. Исследована математическая модель процесса пространственно неоднородной коагуляции в дисперсных системах, в основе которой лежит пространственно неоднородное уравнение коагуляции Смолуховского для дискретных масс.

4. Разработан алгоритм прямого имитационного моделирования процесса пространственно неоднородной коагуляции в дисперсных системах. Создана и протестирована вычислительная программа на ЭВМ на основе предложенного алгоритма.

5. Для задачи Коши в случае пространственно неоднородного уравнения коагуляции Смолуховского выведены аналитические решения и получены численные решения с помощью разностных схем для широкого класса интенсивностей и различных начальных условий.

6. Проведено детальное сравнение спектров распределения частиц по массам, полученных с помощью алгоритма и вычислительной программы прямого имитационного моделирования, с аналитическими и численными решениями задач Коши для широкого класса интенсивностей взаимодействия частиц. Сравнительный анализ дает более точное и глубокое понимание смысла функции — решения в пространственно неоднородном уравнении Смолуховского.

7. Разработанный алгоритм прямого имитационного моделирования и вычислительная программа на ЭВМ могут быть использованы для математического моделирования роста трещин в структуре материалов, моделирования роста кристаллов.