Перейти на главную страницу
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Краснодар – 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Кубанский государственный технологический университет»
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор
Уртенов Махамет Али Хусеевич
Официальные оппоненты: Калайдин Евгений Николаевич, доктор физико-математических наук, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет», профессор кафедры теоретической экономики;
Шапошникова Татьяна Леонидовна, доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», заведующая кафедрой физики.
Ведущая организация: «МАТИ»- Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского.
Защита состоится « 25 » мая 2012 г. в ч. мин. на заседании диссертационного совета Д 212.101.17 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул.Ставропольская, д. 149, в ауд. 231
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет», с авторефератом – на сайте https://www.kubsu.ru/
Автореферат разослан « » апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.101.17
кандидат физ.-мат. наук, доцент В.Ю. Барсукова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время имеется большое количество математических моделей переноса бинарного электролита (Н.П. Гнусин, В.И. Заболоцкий, С.С. Духин, Б.П.Графов, А.А. Черненко, В.М. Волгин, А.П. Григин, А.Д. Давыдов, К.А. Лебедев, А.В. Листовничий, Ю.И. Харкац, М.Х. Уртенов, J.-L. Afonso, M.J. Clifton, I. Rubinstein, L. Shtilman и др.). Однако в двумерных и трехмерных моделях предполагают электронейтральность среды и вместо уравнения Пуассона используется условие электронейтральности (Н.П. Гнусин, В.И. Заболоцкий, В.М. Волгин, А.П. Григин, А.Д. Давыдов, К.А. Лебедев, М.Х. Уртенов, Ю.И. Харкац, J.-L. Afonso, M.J. Clifton), хотя запредельный режим переноса непосредственно связан с наличием пространственного заряда, вызываемого этим эффектом, например электроконвекции (I. Rubinstein, L. Shtilman, Е.Н. Калайдин, Е.А. Демехин, М.Х. Уртенов, А.М. Узденова). Математические модели, учитывающие влияние пространственного заряда на перенос ионов соли (Б.П. Графов, А.А. Черненко, А.В. Листовничий, М.Х. Уртенов, I. Rubinstein, L. Shtilman), являются одномерными, даже если изучаемый процесс исследуется на плоскости или пространстве.
Имеющиеся асимптотические методы погранслойных функций Люстерника Л. А., Вишика М. И., Васильевой А.Б. и Бутузова В.Ф. и других удобны для решения краевых задач мембранной электрохимии при допредельных токах. Однако при запредельных токах вырожденные задачи, лежащие в основе этих методов, не имеют решения во всей области, поэтому необходимо эти методы модифицировать, использовать их в сочетании с методом согласования асимптотических решений, с новыми методами, разработанными специально для краевых задач мембранной электрохимии.
Таким образом, тему диссертационной работы, посвященной построению двумерных моделей переноса ионов соли в мембранных системах с учетом пространственного заряда, разработке эффективных численных и асимптотических методов решения соответствующих краевых задач, следует признать актуальной.
Актуальность темы исследования подтверждается поддержкой, оказанной работе Федеральным Агентством по образованию и науке РФ в рамках темы 1.4.08 («Методы регулярного представления сингулярно возмущенных уравнений и их приложения. Метод модулирующих функций в обратной задаче теории фильтрации» (направление фундаментальных научных исследований «Рациональное природопользование») и гранта РФФИ-Юг (№ 09-08-96529 «Модифицирование поверхности ионообменных мембран с использование углеродных нанотрубок с целью совершенствования процессов электродиализного обессоливания и концентрирования»).
Цель исследования предопределила следующие задачи исследования:
1. Построение математических моделей переноса бинарного электролита;
2. Построение эффективных численных и асимптотических методов решения краевых задач соответствующих моделей;
3. Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительных экспериментов по исследованию процессов переноса бинарного электролита в канале обессоливания электродиализного аппарата и проведение вычислительных экспериментов;
4. Установление основных закономерностей переноса бинарного электролита.
В главе 2 в п. 2.1 предлагается следующий алгоритм вывода моделей, описывающих перенос бинарного электролита в мембранных системах (например, в канале обессоливания электродиализного аппарата):
1. В качестве исходной системы уравнений рассматривается система уравнений Нернста – Планка и Пуассона. В этой системе переходим к безразмерному виду, используя характерные для мембранных систем переменные и величины. При этом появляются два малых параметра:
,
где ,
- безразмерные малые параметры,
- безразмерные коэффициенты диффузии,
- зарядовые числа,
искомые потоки, концентрации ионов и напряженность электрического поля и плотность тока, соответственно,
- безразмерные время, ширина и длина канала обессоливания.
Таким образом, исходная система электродиффузионных уравнений является сингулярно - возмущенной, поэтому она неудобна для численного решения. Кроме того, структура системы уравнений такова, что из нее можно вывести лишь модельную задачу с условием электронейтральности. Она содержит 11 уравнений с 11 неизвестными функция, причем можно показать, что все эти функции имеют погранслои возле мембран и начальные погранслои.
2. В связи с этим производится преобразование исходной системы уравнений путем введение новых неизвестных функций: обобщенной концентрации общей плотности тока
и функции тока для общей плотности тока
:
, так чтобы число неизвестных функций уменьшилась, структура уравнений улучшилась, а погранслой возникал только для напряженности электрического поля. Полученную систему уравнений мы называем декомпозиционной:
Где - некоторые константы.
3. Поскольку декомпозиционная система уравнений содержит новую неизвестную функцию тока для общей плотности тока , то из исходной системы уравнений для нее выводится новое уравнение и краевые условия:
4. Используя предположение о том, что порядок функций при стремлении малого параметра к нулю аналогичен одномерному случаю, а именно: ,
,
, при
, равномерно относительно
и относительно малого параметра
, производим оценку членов декомпозиционных уравнений и, отбрасывая малые члены, получаем уравнения, описывающие соответствующие модели.
Например, для проточных мембранных систем получена модель, описанная следующей системой уравнений:
(1)
(2)
(3)
Так как для получения этой системы уравнений кроме предположения о порядке функций мы воспользовались малостью параметра , а это выполняется для проточных мембранных систем, поэтому модель, описываемую системой уравнений (1)-(3), назовем моделью ППМС (переноса в проточных мембранных системах).
Если не учитывать переходные процессы, то с учетом , получим систему уравнений:
(4)
(5)
(6)
Модель, описываемую системой уравнений (4)-(6), назовем моделью БНП (без начального погранслоя по функции).
Если не учитывать погранслои по функции , то можно отбросить член
, тогда получим «нестационарную модель переноса в приближении закона Ома»:
Приведенные выше модели, включая соответствующие стационарные модели, можно рассматривать как иерархическую систему моделей рис.1.
Системы уравнений дополнены естественными краевыми условиями. При гальваностатическом режиме естественными являются следующие краевые условия.
1) Граничные условия
2) Начальное условие
3) Условия согласования граничных условий:
4) Условия согласования граничных и начальных условий:
Для функции граничные условия и начальное условие будет согласовано, если взять
, например, в виде
.
В п.2.2 произведено расщепление системы уравнений модели переноса в приближении закона Ома и выведены отдельные уравнения для обобщенной концентрации и функции тока для плотности тока, не зависящие от других неизвестных функций для симметричного бинарного электролита ():
, где
.
Далее приведены численные и асимптотические алгоритмы решения этой системы уравнений. На основе одного из методов решена еще одна модель:
которую мы называем моделью переноса с функцией Хэвисайда.
В п.2.3 рассмотрены методы решения уравнения : метод сведения к эталонному уравнению, методом итераций и асимптотическое решение. В п.2.4. предложены методы решения уравнения для обобщенной концентрации
с учетом предложенных методов решения уравнения для функции
. В п.2.5. предложены асимптотическим метод и метод последовательных приближений решения уравнения для функции
.
1.Алгоритм асимптотического решения.
Для асимптотического решения краевой задачи с функцией Хэвисайда предлагается использовать следующий алгоритм:
2)Решая уравнение, определяем области электронейтральности
, где
и пространственного заряда
, где
, а также промежуточный слой
около нулей функции
.
3) В каждой из областей уравнение для функции тока плотности тока упрощается. На границах областей используются условия непрерывности этой функции и ее первых производных.
Находим плотность тока по формуле
4) Нами показано, что
5) Находим напряженность электрического поля по формуле
1) Берем некоторое начальное приближение . Например, в качестве начального приближения можно использовать найденное выше асимптотическое представление. Пусть уже найдены приближения
, …,
,
, …,
.
2). Приближение определим как решение краевой задачи
.
3) Приближения как решение краевой задачи:
4) В качестве берем решение уравнения
1. В области электронейтральности используем для асимптотического решения следующие разложения:
Для начального приближения система уравнений принимает следующий вид:
Так как, , то второе уравнение можно преобразовать к виду:
Для го приближения разложения имеют вид:
где ,
некоторые известные функции от предыдущих коэффициентов.
2. В области пространственного заряда для асимптотического решения используем следующие разложения:
,
,
(20)
1) Приравнивая коэффициенты при получаем, что система уравнений для нулевого приближения имеет вид:
Уравнения (21), (22) не позволяют однозначно определить . Выпишем систему для первого приближения относительно вектора
:
Условие разрешимости системы (24), (25) имеет вид:
Решая совместно уравнение (21) и условие разрешимости (26) получим:
Таким образом, из условия разрешимости следующего приближения получается система уравнений для начального приближения . Из последних двух формул следует, что необходимо вывести уравнение для
.
В диссертации выведено это уравнение, имеющее вид:
(28)
Аналогично, условие разрешимости для члена разложения даёт возможность однозначного определения для
го члена разложения.
В п.3.2 приведены высшие асимптотические разложения краевой задачи модели в приближении закона Ома, в п.3.3 найдены высшие асимптотические разложения краевой задачи для декомпозиционной системы уравнений. Все описанные выше асимптотические решения справедливы для всюду за исключением области начального времени и границ области. В п.3.4 вычислены погранслойные функции для
, которые совместно с построенными выше решениями дают асимптотическое решение во всей области.
а) b)
с) d)
а) , b)
, с)
, d)
.
Для повышения точности расчетов и оценки численной устойчивости использовался метод дробления шага в два раза. Сравнение результатов показывает достаточно хорошую точность расчетов и их численную устойчивость. В п.4.5 произведена верификация результатов путем сравнения с результатами других авторов там где это возможно.
По итогам исследования в главе 4 определены следующие основные закономерности переноса бинарного электролита в мембранных системах:
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В итоге проведенных в диссертации исследований можно сформулировать следующие основные результаты и предложения:
2. Чубырь Н.О. Полная декомпозиция неодномерной системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона для бинарного электролита / Лаврентьев А.В., Уртенов К.М., Хромых А.А.//Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. – Краснодар. – 2009. - №2. – С. 32-37.
3. Чубырь Н.О. Численное и асимптотическое решение неодномерной системы уравнений Нернста-Планка-Пуассона/ Лаврентьев А.В., Уртенов К.М., Хромых А.А.// Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2010. №5. С.17-22.
4. Чубырь Н.О. Краевая задача для плотности тока в области пространственного заряда/Уртенов К.М., Коваленко А.В., Хромых А.А.// Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2010, №1, C.70-74.
5. Чубырь Н.О., Коваленко А.В., Узденова А.М., Уртенов М.Х. Хромых А.А., Барсукова В. Ю. Численное решение краевой задачи модели переноса бинарного электролита в приближении закона Ома// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, №77(03), 2012 года. Режим доступа https://ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/58.pdf
6. Чубырь Н.О Анализ краевой задачи модели переноса бинарного электролита в приближении закона Ома /Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Узденова А.М., Хромых А.А., Барсукова В. Ю.// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, №77(03), 2012 года,C1-14 https://ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/57.pdf
7. Чубырь Н.О Численное решение краевых задач для квазилинейных уравнений математической физики с функцией Хэвисайда/ Коваленко А.В., Уртенов М.Х, Узденова А.М.// Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2; URL: https://www.science-education.ru/102-5919
Публикации по теме диссертации в других изданиях:
8. Чубырь Н.О.(Фоменко Н. О.) Вывод уравнения для плотности тока для бинарного электролита// Прикладная математика XXI века: Материалы VI: объединенной конференции студентов и аспирантов факультета компьютерных технологий и прикладной математики. Краснодар: КубГУ, 2006, C.122-125.
14. Чубырь Н. О. Полная декомпозиция двумерной системы уравнений Нернста-Планка и Пуассона для бинарного электролита./ Лаврентьев А.В., Усова Е.С., Уртенов М. Х., Хромых А.А.,.// Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Труды VI Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. Краснодар: Просвещение-Юг, 2009. С. 87-89.
Подписано в печать 18.04.2012. Печать трафаретная.
Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 450.
ООО «Издательский Дом-Юг»
350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120
тел. 8-918-41-50-571
Двумерные математические модели переноса бинарного электролита в мембранных системах
16 12 2014
1 стр.
По специальности 05. 13. 18 «математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
01 09 2014
1 стр.
Специальность 05. 13. 18 математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
13 12 2014
2 стр.
Специальность 05. 13. 18 математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
10 10 2014
1 стр.
Специальность научных работников: 05. 13. 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
18 12 2014
1 стр.
Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова Защита состоится 2008 г в часов
15 09 2014
3 стр.
02 10 2014
1 стр.
В рамках модели нестехиометрических взаимодействий проведено математическое моделирование концентрационных зависимостей активности растворителя в смесях триэтиламина и диэтилового
15 12 2014
1 стр.