КИНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР

Гаврилов А.Н., Суханова Н.В., Рылёв С.С.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Гаврилов А.Н., Суханова Н.В., Рылёв С.С. Кинетический подход построения модели плазменных процессов синтеза углеродных наноструктур // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 5. С. 862–868. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-862-868



Аннотация

Предмет исследования. Рассмотрен новый метод математического моделирования процессов синтеза углеродных наноструктур в плазме, отличающийся использованием кинетического уравнения Больцмана, и функций распределе- ния частиц с учетом парных упругих и неупругих столкновений. Широкое использование нанотрубок, фуллеренов в современной промышленности сдерживает высокая стоимость и низкая производительность методов синтеза, которые обусловлены недостаточной теоретической изученностью процессов их формирования. Цель работы — построение модели процессов получения различных углеродных наноструктур в плазме дугового разряда и развитие эффективных численных методов для расчетов условий, позволяющих повысить эффективность синтеза. Метод. Представлен метод численного решения рассмотренной многомерной нелинейной задачи с применением технологии nVidia CUDA в сочета- нии с технологией распараллеливания на центральном и графическом процессорах, позволяющий получить экономичное решение с использованием ограниченных вычислительных ресурсов персонального компьютера. Основные результаты. Показано, что предложенная модель позволяет адекватно описывать процессы образования и роста кластерных групп, являющихся основой формирования углеродных нанаструктур в плазме дугового разряда, а также учитывать влияние условий синтеза на выход конечного продукта. Практическая значимость. Разработанную математическую модель и ее элементы можно использовать при проектировании установок синтеза углеродных наноструктур методом термического испарения графита.


Ключевые слова: углеродные наноструктуры, математическая модель, электродуговой синтез, плазма, уравнение Больцмана, метод крупных частиц, CUDA

Список литературы
1.Ткачев А.Г., Мележик А.В., Дьячкова Т.П., Блохин А.Н., Буракова Е.А., Пасько Т.В. Углеродные наноматериалы серии «Таунит»: производство и применение // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2013. Т. 56. № 4.
С. 55–59.
2. Гаврилов А.Н., Пологно Е.А., Рязанов А.Н. Анализ методов синтеза и промышленное производство углеродных нанотрубок // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия. 2010. № 6. С. 14–19.
3. Дутлов А.Е., Некрасов В.М., Сергеев А.Г., Бубнов В.П., Кареев И.Е. Электродуговой синтез сажи с высоким содержанием высших фуллеренов в «параллельной дуге» // ЖТФ. 2016. Т. 86. № 12. С. 99–103.
doi: 10.21883/jtf.2016.12.43922.1644
4. Зинченко Л.А., Шахнов В.А. Особенности математического моделирования в задачах проектирования наносистем // Информационные технологии и вычислительные системы. 2009. № 4. С. 84‒92.
5. Норман Г.Э., Стегайлов В.В. Стохастическая теория метода классической молекулярной динамики // Математическое моделирование. 2012. Т. 24. № 6. С. 3‒44.
6. Abramov G.V., Gavrilov A.N., Tolstova I.S., Ivashin A.L. Formation of clusters of carbon structures in plasma under thermal destruction of graphite // Nanotechnologies in Russia. 2017. V. 12. N 3-4. Р. 139–146.
doi: 10.1134/S1995078017020021
7. Абрамов Г.В., Гаврилов А.Н. Математические методы исследования кинетики формирования кластеров углерода в плазме // Системы и средства информатики. 2018. Т. 28. № 2. С. 116–127. doi: 10.14357/08696527180209
8. Abramov G.V., Gavrilov A.N. The application of the large particles method of numerical modeling of the process of carbonic nanostruc- tures synthesis in plasma // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 973. P. 012022.
doi: 10.1088/1742-6596/973/1/012022
9. Абрамов Г.В., Гаврилов А.Н., Татаркин Е.С. Моделирование процесса формирования кластеров углерода в плазме термического распыления графита // Вестник Воронежского государственного университета.
Серия: Физика. Математика. 2011. № 2. С. 5‒8.
10. Абрамов Г.В., Гаврилов А.Н., Пологно Е.А. Численное решение задачи теплопереноса с подвижными границами при дуговом синтезе углеродных нанотрубок // Вестник Воронежской государственной технологической академии. 2010. № 2(44). С. 9‒14.
11. Хир К. Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические процессы. Москва: Мир, 1976. 600 с.
12. Гаврилов А.Н. Моделирование формирования УНС в плазме с использованием параллельных вычислений // Вестник ВГУ. Серия:Системный анализ и информационные технологии.2018.
Серия: Системный анализ и информационные технологии. 2018. № 2. С. 14–21.
13. Абрамов Г.В., Гаврилов А.Н., Ивашин А.Л., Толстова И.С. Использование параллельных вычислений в ресурсоемких задачах моделирования процессов движения и взаимодействия частиц в плазме при синтезе углеродных наноструктур// Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные на- уки. 2018. № 5. С. 4‒14. doi: 10.18698/1812-3368-2018-5-4-14
14. Bastrakov S., Meyerov I., Surmin I., Efimenko E., Gonoskov A., Malyshev A., Shiryaev M. Particle-in-cell plasma simulation on CPUs, GPUs and Xeon Phi coprocessors // Lecture Notes in Computer Science. 2014. V. 8488.
Р. 513–514.
15. Kim H., Vuduc R., Baghsorkhi S. Performance analysis and tuning for general purpose graphics processing units (GPGPU). Morgan & Claypool Publishers, 2012. 96 p. (Synthesis Lectures on Computer Architecture; V. 20). doi: 10.2200/S00451ED1V01Y201209CAC020
16. Сандерс Дж., Кэндрот Э. Технология CUDA в примерах: введение в программирование графических процессоров. М.: ДМК Пресс, 2011. 232 с.
17. Cheng J., Grossman M., McKercher T. Professional CUDA C programming. N.-Y.: Wrox, 2014. 528 p.
18. Abramov G., Gavrilov A., Ivashin A., Tolstova I. Modeling of the motion and interaction of carbon particles in the plasma electric arc discharge using parallel programming technologies // Proc. 8th International Multi-Conference on Complexity, Informatics and Cybernetics (IMCIC 2017). 2017. P. 67‒72.
19. Абрамов Г.В., Гаврилов А.Н. Автоматизированная система управления синтезом углеродных наноструктур в плазме дугового разряда // Автоматизация. Современные технологии. 2016. № 3. С. 10‒14.
20. Ying L.S., Salleh A., Yusoff H.M., Rashid S.A., Razak J.A. Continuous production of carbon nanotubes – A review // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2011. V. 17. N 3. P. 367–376. doi: 10.1016/j.jiec.2011.05.007
 
 

 


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика