Введение к работе
Актуальность работы.
Исследование синтеза углеродных нанотрубок (УНТ), обладающих уникальными характеристиками, является одним из перспективных направлений развития современной науки и промышленности. Основные области применения УНТ связаны с электронной техникой, созданием отдельных сверхпрочных элементов (например, зондов для микроскопии), катализом и получением композитов.
Условия электродугового синтеза УНТ отличаются быстротечностью и высокими температурами в зоне реакции, что затрудняет его исследование и эффективное управление процессом синтеза. Данный факт является одной из основных причин, сдерживающих широкое использование УНТ в промышленности. Исходя из этого, актуальным направлением изучения процессов при синтезе УНТ является их теоретическое описание с применением методов математического моделирования
Вопросы моделирования процессов при синтезе УНТ исследовали в своих трудах О. А. Нерушев, S. Iijima, Т. W. Ebbesen, Е. G. Gamaly, А. В. Елецкий, Э. Г. Раков, Н. И. Алексеев, Г. А. Дюжев, Г. Н. Чурилов, И. В. Золотухин, Д. В. Афанасьев, и др.
Известные модели синтеза УНТ ограничиваются учетом основных технологических параметров и не рассматривают влияние дополнительных теплоотводящих элементов, конвективной теплопроводности в буферном газе на результаты синтеза. В связи с этим актуальной является задача разработки и исследования математической модели теплообмена при электродуговом синтезе, учитывающей отвод тепла из зоны испарения анода. Моделирование теплообмена позволит исследовать влияние параметров теплоотводящего элемента на результаты синтеза и повысить эффективность процесса за счет более равномерного испарения электрода.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Информационные технологии моделирования и управления» Воронежского государственного университета инженерных технологий с 2009 по 2013 гг.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ по теме «Матема-
тическое и компьютерное моделирование в задачах проектирования и оптимизации функционирования информационных технологических систем» (ГК № 01.2006.06298). Работа проводилась при поддержке программы «У.М.Н.И.К» ГК № 7472р/10212 от 29.01.2010.
Целью работы является разработка и исследование математической модели процессов при электродуговом синтезе УНТ с учетом отвода тепла из зоны испарения анода, конвективной теплопроводности в буферном газе и подвижных границ сред, выявление рациональных параметров теплоотводящего элемента с точки зрения расширения зоны формирования УНТ.
Задачи исследования:
разработка математической модели теплообмена при электродуговом синтезе УНТ, учитывающей теплоотводящий элемент, конвективную теплопроводность в буферном газе и подвижные границы сред;
разработка численной схемы решения задачи и определение рациональных параметров решения, тестирование эффективных численных методов с применением ЭВМ;
исследование разработанной математической модели в условиях варьирования параметров модели с использованием вычислительного эксперимента;
разработка комплекса прикладных программ для проведения численных и физических экспериментов электродугового синтеза УНТ.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач применялись методы вычислительной математики и моделирования, теории дифференциальных уравнений, теории теплообмена, метод конечных элементов.
Научная новизна.
-
Разработана математическая модель теплообмена при электродуговом синтезе УНТ, отличающаяся учетом теплоотводящего элемента (ТЭ), конвективной теплопроводности в буферном газе и подвижных границ сред.
-
Предложен и протестирован эффективный численный метод расчета с применением ЭВМ, разработан алгоритм численного решения математической модели, определены рацио-
нальные параметры дискретизации расчетной области, исследована сходимость метода решения. 3. Разработан комплекс программ для расчета параметров процесса и ведения синтеза УНТ электродуговым методом, состоящий из подсистем: обработки сигналов, управления синтезом с поддержанием заданной силы тока, хранения полученной информации, пользовательского интерфейса. Практическая значимость.
Разработана математическая модель и алгоритмы расчета нестационарного теплообмена при электродуговом синтезе УНТ, позволяющие определить рациональные параметры ТЭ, учитывать влияние буферного газа, технологических параметров процесса на области формирования УНТ, рассчитывать области формирования УНТ. Полученные результаты позволят повысить эффективность процесса синтеза УНТ и могут быть использованы при проектировании оборудования для электродугового синтеза УНТ.
Разработана автоматизированная система управления электродуговым синтезом, учитывающая изменение межэлектродного зазора в процессе синтеза и предусматривающая его коррекцию по значению величины силы тока.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции Кибернетика и Высокие технологии 21 века (г. Воронеж, 2009, 2010, 2013 гг.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Воронеж, 2009 г.), III международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (г. Воронеж, 2009 г.), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2009, 2010 гг.), Международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (г. Воронеж, 2009 г.), Всероссийской конференции молодых ученых «Микро- нанотехнологии и их применение» (г. Черноголовка, 2010 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Общество-Наука-Инновации» (г. Киров, 2010 г.), Девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Международной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии: сборник трудов XVI» (г. Томск, 2010 г.), Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2010 г.), Одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.).
В рамках работы был выигран конкурс по программе «У.М.Н.И.К.» (г. Воронеж 2009 - 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых журналах и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [2, 5, 9, 11, 12, 17, 18] - элементы математической модели теплообмена при электродуговом синтезе УНТ, численные схемы решения, в [4, 13, 15, 20] - структура взаимодействия модулей информационной системы управления электродуговым синтезом УНТ, в [16] - граничные условия модели теплопереноса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 121 страницах, содержит 77 рисунков и 4 таблицы. Библиография включает 105 наименований.
