Моделирование структур аэрогелей и массопереноса в них с применением высокопроизводительных вычислений

Аэрогель является одним из самых интересных существующих твердых материалов. Он представляет собой пористое тело, обладающее уникальным сочетанием таких свойств, как высокая пористость, низкая плотность и высокая удельная площадь поверхности. В зависимости от природы, аэрогель состоит из индивидуальных частиц или глобул, размером в несколько нанометров, которые соединены между собой и образуют сложную трехмерную структуру или же сетевую структуру, благодаря которой он обладает более низкими теплопроводностью, коэффициентом преломления, диэлектрической проницаемостью и скоростью распространения звука внутри него, по сравнению с любыми другими материалами. Аэрогель интересен для применения в самых разнообразных сферах науки и техники.

По типу исходного вещества аэрогели можно разделить на органические, неорганические и гибридные. В большинстве случаев, органические аэрогели отличаются по своим свойствам от неорганических, например, от аэрогелей на основе диоксида кремния или на основе оксидов металлов.

Актуальной задачей является проведение анализа аэрогелей, их основных свойств, характеристик и выбор подходов к моделированию. Математическое моделирование структур позволит генерировать компьютерные образы реальных пористых материалов на наноуровне и исследовать их свойства, а также поведение в различных физико-химических, теплои массообменных процессах.

Однако, моделирование структур на нанои микроуровнях является крайне сложной вычислительной процедурой и требует использования методики параллельных высокопроизводительных вычислений.

Использование высокопроизводительных вычислений и технологии.

СиБА для генерации структур различных аэрогелей будет крайне важным при разработке новых пористых материалов с хаотичной структурой для 4 химической, фармацевтической, медицинской, аэрокосмической и строительной областей.

Диссертационная работа представлена в четырех главах и посвящена анализу аэрогелей, их структур, генерации компьютерных моделей таких структур, исследованию свойств сгенерированных структур и моделированию процессов массопереноса в них.

В первой главе проведён обзор аэрогелей как новых, перспективных высокопористых материалов, обладающих широкими возможностями в применении во многих областях промышленности. Рассмотрены основные качества аэрогелей, выделяющие их из широкого ряда других пористых материалов. Рассмотрены сверхкритические флюиды, их сферы применения и их использование в сверхкритической сушке аэрогелей. Рассмотрены базовые модели генерации пористых структур: капиллярные, матричные и их разновидности. Проанализированы основные подходы к моделированию массопереноса в системах со сложной структурой пор, а также проведён обзор основных методов параллельных вычислений.

В соответствии с целью работы и на основании выводов, сделанных в результате анализа литературы, была сформулирована постановка задачи исследования и намечены этапы ее решения.

Во второй главе представлен анализ аэрогелей, приведена классификация различных типов аэрогелей, рассмотрены их основные свойства и применения, также подробно рассмотрен процесс получения аэрогелей на основе диоксида кремния, получаемых на кафедре Кибернетики Химико-Технологических Процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Исходя из анализа данных о структурах аэрогелей, был сделан вывод о хаотичном характере структур пористых материалов и о способах генерации компьютерных моделей структур аэрогелей и основных параметрах этих моделей.

Третья глава посвящена моделированию структур аэрогелей. В качестве основных методов генерации структур были выбраны фрактальный 5 метод ограниченной диффузией агрегации и стохастический метод слабоперекрывающихся сфер. Изложены и реализованы алгоритмы определения основных параметров сгенерированных структур: удельной площади поверхности и распределения пор по размерам. В связи с большой вычислительной сложностью задачи, на многих этапах применялись методы параллельных вычислений для ускорения расчетов.

В четвёртой главе проведено моделирование процессов массопереноса в сгенерированных пористых структурах с использованием модели клеточных автоматов с окрестностью Марголуса. Правила клеточного автомата были значительно расширены для учёта парных взаимодействий в системах вида «пористое тело — несущая (подвижная) фаза — активное вещество». Каждое дополнение правил клеточного автомата было проверено сравнением с аналитическим решением или экспериментальными данными.

Работа выполнялась в соответствии с заданием Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы»: ГК № 02.513.11.3359 «Индустриализация технологий получения наночастиц и наноструктурированных материалов как основы лекарственных препаратов нового поколения" — при поддержке в 2009 -2010 годах Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», а также Российского Фонда Фундаментальных Исследований: проект 11−08−69-а «Разработка математической модели и программного комплекса для прогнозирования растворимости веществ в сверхкритических флюидах» (2011;2012).