Многомасштабное моделирование взаимодействия газа с поверхностью Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4, с. 465-467

УДК 533.77

МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗА

С ПОВЕРХНОСТЬЮ

© 2011 г. В.Л. Ковалев1, А.А. Крупнов2, М.Ю. Погосбекян2, А.Н. Якунчиков'

'Московский госуниверситет им. М.В. Ломоносова 2НИИ механики Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова

уа1егукоуа1еу@уа^ех. ги

Поступила в редакцию 16.06.2011

На основе методов молекулярной динамики и квантовой механики разработаны новые физико-математические модели и вычислительные алгоритмы, получены новые результаты при исследовании ката -литических свойств теплозащитных покрытий космических аппаратов, адсорбционных свойств углеродных нанотрубок, течений в микро- и наноканалах.

Ключевые слова: молекулярная динамика, коэффициенты рекомбинации и аккомодации, хранение водорода, углеродные нанотрубки.

Введение

Перспективы развития наукоемких отраслей промышленности требуют проведения новых исследований физико-химических процессов в экстремальных условиях и при конструировании новых материалов. Актуальным становится развитие предсказательного моделирования на атомарно-молекулярном уровне. Такие подходы стали возможны в последнее время при наличии вычислительных супермощностей. Они позволяют лучше понять механизм физико-химических процессов, проанализировать их элементарные стадии и оценить различные пространственные эффекты. Теоретическое описание позволяет существенно уменьшить объем экспериментальной работы, необходимой для их достоверного описания. Часто эксперименты не могут воспроизвести все натурные условия, иногда это невозможно. На основе молекулярной динамики и квантовой механики разработаны эффективные методы исследования процессов взаимодействия газовых смесей с поверхностями, с помощью которых получен ряд новых результатов.

Основные результаты

При входе космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет за счет использования низкокаталитических покрытий тепловые потоки к их поверхности могут быть снижены в несколько раз. В большинстве работ для описания гетерогенного катализа на поверхности космических аппаратов используются феноменологические модели. Они отличаются детализацией механизма

гетерогенных каталитических процессов и величинами коэффициентов скоростей элементарных стадий. Такие модели легко использовать в расчетах химически неравновесных течений у обтекаемых тел. Однако многие параметры феноменологических моделей недостаточно хорошо известны и их выбор по экспериментальным данным неоднозначен.

Дан анализ процессов гетерогенной рекомбинации атомов и аккомодации энергии рекомбинации на теплозащитных покрытиях многоразовых космических аппаратов (Бі02, БіС и А1203) на основе методов молекулярной динамики и квантовой механики. В частности, с помощью квазиклас-сического подхода проведено исследование гетерогенной каталитической рекомбинации атомов кислорода на поверхности оксида алюминия. При этом на основе квантово-механических расчетов вычислена поверхность потенциальной энергии кристалла и изучены ее особенности, в том числе и зависимость от релаксации атомов в кристаллической решеткг. Полученные данные были использованы при молекулярно-динамическом моделировании ударного механизма гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на поверхности оксида алюминия. В диапазоне изменения температуры поверхности от 1000 до 2000 К определены величины вероятностей рекомбинации, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными. Теоретическое описание позволяет существенно уменьшить объем экспериментальной работы, необходимой для достоверного описания гетерогенного катализа с целью анализа тепловых потоков к теплозащитным покрытиям космических аппаратов при их входе в атмосферу. Приво-

дятся конкретные примеры расчетов каталитических свойств теплозащитных покрытий и тепловых потоков к космическим аппаратам при их входе в атмосферы Земли и Марса.

Водород является высокоэффективным и экологически чистым энергоносителем. Основным препятствием для стационарного и мобильного использования водорода является отсутствие эффективных способов его хранения. Одним из способов решения этой проблемы является хранение водорода в адсорбированном состоянии углеродными нанотрубками, которые химически стабильны, имеют большую площадь поверхности, незначительную массу и сравнительно недороги. Проведено исследование процессов физической адсорбции водорода в углеродных наноструктурах. Обнаружено, что при низких температурах и высоких давлениях образуется второй слой адсорбции, что значительно увеличивает количество адсорбированного водорода. Рассчитаны относительное массовое содержание и средняя плотность водорода в массиве углеродных нанотрубок в зависимости от температуры, давления и геометрии массива. Найдены оптимальные для адсорбции расстояния между трубками. Показано, что даже при оптимальном расстоянии между трубками в массиве применение углеродных нанотрубок для хранения водорода при комнатной температуре нецелесообразно, а при низких температурах (Т= = 80 К) их использование позволяет существенно повысить эффективность хранения водорода.

Исследованию законов отражения и процессов аккомодации энергии на различных материалах посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Первоначально данная задача была востребована в аэродинамике разреженного газа, научный и практический интерес к которой непрерывно повышался с развитием авиационной и космической техники. В последнее время интерес к этой области усилился вследствие развития микро- и нанотехнологий. Задача о взаимодействии газа с поверхностью при больших числах Кнудсена возникает при описании течений в узких каналах, микро- и наноструктурах. Уменьшение ширины канала приводит к увеличению числа Кнудсена и возрастанию роли поверхностных взаимодействий. При этом макроскопическое описание, рассматривающее газ как непрерывную среду, становится несправедливым. Поэтому для описания таких течений необходимо использовать микроскопический подход, основанный на методах кинетической теории, прямом статистическом и молекулярно-динамическом моделировании.

Методом прямого статистического моделиро-

вания исследовано течение газа и теплообмен в микро- и наноканалах в широком диапазоне изменения числа Кнудсена. Показано существенное влияние скольжения у стенки на ха -рактеристики потока и даны количественные оценки этого явления. Рассчитаны коэффициенты диффузного отражения и аккомодации энергии водорода на поверхности графита в зависимости от энергии падения, температур газа и стенки. При этом рассчитывались траектории отражения молекул водорода от поверхности графита с учетом ее структуры и теплового движения атомов углерода. Для задач, в кото -рых отличием функции распределения для падающего потока от максвелловской функции можно пренебречь, и средние скорости течения малы по сравнению с тепловыми скоростями молекул, получены зависимости коэффициентов аккомодации энергии и касательного импульса от температур газа и поверхности.

Обнаружено, что температура поверхности оказывает существенное влияния на процессы аккомодации при температурах газа 20-400 К. При высоких температурах газа (T > > 900 К) зависимость от температуры стенки ослабевает. При этом коэффициенты аккомодации принимают значения 0.1-0.2 в широком диапазоне температур поверхности 90-1100 К, что подтверждается экспериментальными и теоретическими результатами других авторов. Установлено, что высокие значения коэффициентов аккомодации при низких температурах объясняются увеличением времени пребывания молекул водорода в физически адсорбированном состоянии.

Расчеты проведены на суперкомпьютерном комплексе СКИФ-МГУ «Чебышев».

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 11-01-00280 a).

Список литературы

1. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит, 2002. 223 с.

2. Ковалев В.Л., Колесников А.Ф. // Изв. РАН. МЖГ. 2005. № 5. C. 3-31.

3. Ковалев В. Л., Погосбекян М.Ю // Изв. РАН. МЖГ. 200l. №4. С. 1l6-183.

4. Ковалев В.Л., Погосбекян М. Ю. // Вестник Москов. ун-та. Сер. 1. Математика. Механика. 2009. № 2. С. 44-49.

5. Ковалев В.Л., Сазонова В.Ю., Якунчиков А.Н. // Вестник Москов. ун-та. Сер. Математика. Механика. 200l. №2. C. 6l -l2.

6. Ковалев В.Л., Сазонова В.Ю., Якунчиков А.Н.

// Вестник Москов. ун-та. Сер. Математика. Механика. 2008. №2. С.56-58.

7. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. // Вестник Москов. ун-та. Сер. Математика. Механика. 2008. №5. С. 67-70.

8. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. // Изв. РАН. МЖГ. 2009. №3. С. 160-164.

9. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. // Изв. РАН. МЖГ 2009. №6. С. 15l—160.

10. Ковалев В .Л., Крупнов А .А., Погосбекян М.Ю., Суханов Л.П. // Изв. РАН. МЖГ. 2010. №2. С. 153-160.

11. Ковалев В. Л., Якунчиков А.Н. // Изв. РАН. МЖГ. 2010. №6. С. 166-1l3.

MULTISCALE MODELING OF INTERACTION OF GAS WITH A SURFACE VL. Kovalev, A.A. Kroupnov, M.Ju. Pogosbekian, A.N. Yakunchikov

New physical and mathematical models and computing algorithms are developed on the basis of molecular dynamics and the quantum mechanics methods. New results are obtained by studying the catalytic properties of heat shield coatings of space vehicles, of adsorption properties of carbon nanotubes, as well as of flows in micro-and nanochannels.

Keywords: molecular dynamics, recombination and accommodation coefficients, hydrogen storage, carbon nanotubes.