Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Многомасштабное моделирование физико-химических процессов

Многомаштабное моделирование физико-химических процессов

Ответственный за направление проф. В.Л. Ковалев

Перспективы развития наукоемких отраслей промышленности требуют проведения новых исследований физико-химических процессов в экстремальных условиях и при конструировании новых материалов. Особенно актуальным в последнее время становится развитие предсказательного моделирования на атомарно – молекулярном уровне. Такие подходы стали возможны в последнее время в связи с развитием современной суперкомпьютерной техники.

В рамках направления проводятся  междисциплинарные фундаментальные исследования явлений и процессов, включающие построение новых многомасштабных математических моделей, создание эффективных вычислительных алгоритмов для их исследования и проведение расчетов с использованием многоядерных массивно-параллельных вычислительных систем. Общие математические подходы и объединение специалистов в области механики, математики и квантовой химии позволяют исследовать актуальные прикладные задачи разнообразной физико-механической природы на различных пространственных и временных масштабах.

Одна из многочисленных задач направления связана с  многомасштабным моделированием течений газов и жидкостей у каталитических поверхностей, в том числе в каналах и порах сорбционных и каталитических материалов с учетом молекулярного строения и структурно-топологических особенностей материала.

Анализ взаимодействия молекул газовой фазы с поверхностью различных материалов востребован  также в задачах аэродинамики разреженного газа, научный и практический интерес к которым непрерывно повышается с развитием авиакосмической техники. При этом весьма актуальными остаются исследования каталитических свойств теплозащитных покрытий многоразовых космических аппаратов, так как при гиперзвуковом обтекании гетерогенные каталитические процессы определяют более половины потока тепла к поверхности тела.

Для перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов разрабатываются новые, в том числе и наноструктурированные теплозащитные материалы, которые должны обеспечивать тепловую защиту при температурах поверхности около 2000 K и выше. Лучше понять механизм гетерогенных каталитических процессов, проанализировать их элементарные стадии и оценить влияние пространственной структуры поверхностного слоя на каталитические явления позволят новые подходы, основанные на квантовой механике и молекулярной динамике. Выявление механизма процессов теплопереноса и определение их основных характеристик является важной задачей, решение которой позволит более эффективно конструировать тепловую защиту современных космических аппаратов. Теоретическое описание дает возможность существенно уменьшить объем экспериментальной работы, необходимой для достоверного описания гетерогенных каталитических процессов на поверхности космических аппаратов.

В настоящий момент интерес к таким течениям усилился вследствие развития микро- и нано- технологий. В частности, применение новых пористых материалов в каталитических, сорбционных процессах и в электротехнических устройствах ставит на повестку дня необходимость установления количественных связей между химическим составом и структурой материала и ожидаемыми от него функциональными  характеристиками. Учет этих факторов необходим также для определения законов взаимодействия между газом и поверхностью в важнейших перспективных процессах, таких как, каталитический органический синтез в мезо- и нанопористых материалах, а также  процессах, протекающих в каталитических досжигателях на основе активных наночастиц и многих других. Такой анализ требует развития моделей, совмещающих различные пространственные и временные масштабы, но зато позволяет вести направленный поиск и дизайн материалов с заданным набором функциональных характеристик.
Современные технологии открыли также возможности для производства разнообразных микро- и нано- электромеханических систем (MEMS/NEMS) с уникальными характеристиками, такими как незначительный вес, низкое энергопотребление, высокая производительность и чувствительность. Проектирование значительной группы таких устройств связано с задачами о течении газа или жидкости и процессами теплообмена в микро- и наноструктурах. В рамках направления разрабатываются методы многомасштабного моделирования течений и физико-химических взаимодействий в микро- и нано- структурах и устройствах с учетом атомной структуры твердого тела, химических свойств газа, теплового движения атомов поверхности, явлений адсорбции, шероховатости поверхности и макро- геометрии системы.

В частности исследуются возможности эффективного хранения водорода, который является экологически чистым и энергетически эффективным топливом в массивах углеродных нанотрубок.

Одной из важнейших конкретных фундаментальных задач направления является также создание многоуровневых моделей и соответствующих программных модулей для исследования процессов горения в камерах сгорания и неравновесных течений в газовых турбинах авиационных двигателей. Разрабатываются кинетические схемы, детализирующих брутто реакцию в терминах набора элементарных стадий,  методы надежной оценки кинетических характеристик – коэффициентов скоростей и распределений продуктов элементарных стадий.

Для верификации кинетических моделей и оптимизации работы авиационных двигателей создаются соответствующие алгоритмы и проводятся расчеты трехмерных неравновесных течений в основных узлах авиационных двигателей. Разрабатываются кинетические схемы, детализирующих брутто реакцию в терминах набора элементарных стадий,  методы надежной оценки кинетических характеристик – коэффициентов скоростей и распределений продуктов элементарных стадий. Для верификации кинетических моделей и оптимизации работы авиационных двигателей создаются соответствующие алгоритмы и проводятся расчеты трехмерных неравновесных течений в основных узлах авиационных двигателей.

Литература

  1. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит, 2002. 223 с.
  2. Ковалев В.Л., Колесников А.Ф. Экспериментальное и теоретическое моделирование гетерогенного катализа в аэротермохимии // Изв. РАН. МЖГ. 2005. № 5. C. 3–31.
  3. Ковалев В. Л., Погосбекян М.Ю. Моделирование гетерогенной рекомбинации атомов на теплозащитных покрытиях космических аппаратов методами молекулярной динамики. Известия РАН. МЖГ, № 4, 2007, С. 176- 183
  4. Ковалев В.Л., Погосбекян М. Ю. Анализ каталитических свойств теплозащитных покрытий - кристаболита и SIC. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.1, Математика. Механика. 2009. № 2. С. 44-49.
  5. Ковалев В.Л., Крупнов А.А., Погосбекян М.Ю., Суханов Л.П. Анализ гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на оксиде алюминия методами квантовой механики и классической динамики. Известия РАН. МЖГ, № 2, 2010, С. 153-160
  6. Ковалев В.Л., Сазонова В.Ю., Якунчиков А.Н. Динамический метод Монте-Карло моделирования поверхностной рекомбинации // Вестн. Моск. ун-та. Матем. Механ. 2007. №2. C.67-72
  7. Ковалев В. Л., Погосбекян М.Ю. Моделирование гетерогенной рекомбинации атомов на теплозащитных покрытиях космических аппаратов методами молекулярной динамики. Известия РАН. МЖГ, № 4, 2007, С. 176- 183
  8. Ковалев В.Л., Сазонова В.Ю., Якунчиков А.Н. Моделирование взаимодействия струи разреженного газа с преградой методами молекулярной динамики // Вестн. Моск. ун-та. Матем. Механ. 2008. №2. C.56-58.
  9. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Исследование течения и теплообмена в микро- и наноканалах методами молекулярной динамики // Вестн. Моск. ун-та. Матем. Механ. 2008. №5. C.67-70.
  10. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Моделирование адсорбции водорода в углеродных нанотрубках // Изв. РАН. МЖГ. 2009. № 3. С. 160-164.
  11. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Анализ адсорбции водорода массивами углеродных нанотрубок // Изв. РАН. МЖГ. 2009. № 6. С. 157-160.
  12. Якунчиков А.Н., Ковалев В.Л. Прямое численное моделирование некоторых физико-химических процессов и явлений // Труды семинара по вычислительным технологиям в естественных науках. Вып.1.Вычислительная физика / Под ред. Р.Р.Назирова. – М.:КДУ, 2009. C.30-38.
  13. Ковалев В.Л., Погосбекян М. Ю. Анализ каталитических свойств теплозащитных покрытий бета- кристаболита и SIC. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.1, Математика. Механика. 2009. № 2. С. 44-49.
  14. Ковалев В.Л., Крупнов А.А., Погосбекян М.Ю., Суханов Л.П. Анализ гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на оксиде алюминия методами квантовой механики и классической динамики. Известия РАН. МЖГ, № 2, 2010, С. 153-160
  15. Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Коэффициенты аккомодации для молекулярного водорода на поверхности графита. Известия РАН. МЖГ. 2010. № 6. С. 166-173
  16. Kovalev V.L., Yakunchikov A.N. Fuhuo L. Tangential momentum and thermal accommodation coefficients for hydrogen molecules on graphite surface. Acta Astronautica, 2011,v. 69 (7-8), pp. 744-746.
Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика