ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ГОРЕНИЯ ПРОЦЕССА СВ-СИНТЕЗА 6
1.1. О самораспространяющемся высокотемпературном синтезе 6
1.2. Математические методы моделирования СВС 13
1.3. Сеточные методы решения дифференциальных уравнений 14
1.4. Разностные схемы 16
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 18
2.1. Комбинированная математическая модель уравнений теплопроводности и
кинетики 18
2.2. Неявная схема двуциклического расщепления на основе схемы Кранка-
Николсона 22
2.3 Параллельная реализация схемы двуциклического расщепления 25
2.4. Адаптация метода прогонки для решения уравнения теплопроводности 29
2.5. Структурный анализ программного продукта 30
ГЛАВА 3 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА И ТЕСТИРОВАНИЕ .... 33
3.1. Выбор средств разработки 33
3.2. Структура программного комплекса 34
3.2.1. Структура взаимодействия программных модулей 34
3.2.2. Реализация расчетных модулей 34
3.2.3. Реализация модуля работы с файлами 39
3.2.4. Реализация модуля визуализации 42
3.3. Обзор возможностей программного комплекса 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 53
ПРИЛОЖЕНИЕ 56
Стремительное развитие науки и техники делает возможным создание материалов с особыми, зачастую уникальными свойствами такими как заданная внутренняя структура материала, соединения с низкими температурами плавления, соединения, обладающие высокой прочностью и жаростойкостью.
Большими возможностями для создания такого рода материалов обладает самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Изучение процессов горения занимает особое место среди разнообразных направлений физической химии. СВС представляет собой режим протекания сильной экзотермической реакции, в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от слоя к слою путем теплопередачи.
В основу СВС положен принцип максимального использования химической энергии реагирующих веществ, для получения неорганических соединений, материалов и изделий различного назначения, а также для оптимальной организации высокоэффективных технологических процессов.
Продукты СВС получили широкое распространение в современном мире. Они используются для производства:
- твердых сплавов и абразивов, высокотемпературной конструкционной и жаростойкой керамики;
- материалов для электроники и электротехники и современных сверхпроводящих материалов;
- коррозионно-стойких защитных и износостойких покрытий;
- катализаторов в химической промышленности;
- материалов с памятью формы для медицины.
Для того, чтобы понять каким образом возможно осуществлять контроль над реакцией СВ-синтеза, определить оптимальные условия ее протекания и понять возможности практического применения, процесс и продукты СВС подвергаются экспериментальным исследованиям. Этот метод исследования требует наличия квалифицированных сотрудников, дорогостоящего оборудования и материалов.
Иным методом изучения является вычислительный эксперимент. Современные численные методы решения нелинейных задач на ЭВМ позволяют накапливать сведения о нелинейных процессах, что, в свою очередь, является мощным стимулом для создания новых математических методов и выработки понятий адекватных миру нелинейных явлений.
Можно рассмотреть СВС-систему как гетерогенную среду, построить математическую модель, определяемую дифференциальным уравнением теплопроводности, функцией внутренних источников тепловыделения, уравнением теплообмена с внешней средой. Численное решение полученной системы позволит получить информацию о:
- фронте горения;
- принципе распространения волны горения в СВС-образце;
- полученных продуктах СВ-синтеза.
А использование параллельного программирования, в связи с большим объемом вычислений в расчетах, позволит осуществить более эффективное моделирование процесса СВ-синтеза.
Таким образом, целью выпускной квалификационной работы является разработка программного комплекса для трехмерного моделирования процесса СВ-синтеза в гетерогенных порошковых системах.
В процессе выполнения выпускной квалификационной работы был изучен процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Произведен обзор и анализ научной литературы и публикаций по теме дипломного проекта. Изучены физико-химические основы механизма протекания процесса СВ-синтеза в гетерогенных порошковых системах, методы решения уравнений в частных производных (уравнения теплопроводности).
В результате выполнения дипломного проекта был спроектирован, разработан и протестирован программный комплекс для трехмерного моделирования СВ-синтеза гетерогенной системы.
Расчетный модуль позволяет корректно производить процесс моделирования СВ-синтеза. Разработано и реализовано несколько видов записи в файл: бинарный и файл формата *.csv, в котором содержатся средние значения результатов моделирования для исключения монотонной работы анализа результатов моделирования.
Реализованы модули визуализации, как промежуточных результатов, так и конечных, что существенно упрощает анализ полученных данных после моделирования.
Тестирование программного комплекса показало, что значения температуры СВС - образца полученные результате моделирования согласуются с результатами лабораторных экспериментов, приведенных в научных публикациях. Следовательно, можно сделать вывод о корректной работе программного комплекса для трехмерного моделирования процесса СВ-синтеза гетерогенной системы.
В заключении можно сделать вывод, что все проставленные цели и задачи выполнения выпускной квалификационной работы выполнены.
