Текущий выпуск Номер 5, 2024 Том 16

Все выпуски

[ Switch to English ]

Вычислительный алгоритм решения нелинейной краевой задачи водородопроницаемости с динамическими граничными условиями и концентрационно-зависимым коэффициентом диффузии

Заика Ю.В., Родченкова Н.И.
 pdf (854K)

Рассматривается нелинейная краевая задача водородопроницаемости, соответствующая следующему эксперименту. Нагретая до достаточно высокой температуры мембрана из исследуемого конструкционного материала служит перегородкой вакуумной камеры. После предварительного вакуумирования и практически полной дегазации на входной стороне создается постоянное давление газообразного (молекулярного) водорода. С выходной стороны в условиях вакуумирования с помощью масс-спектрометра определяется проникающий поток.

Принята линейная модель зависимости коэффициента диффузии растворенного атомарного водорода в объеме от концентрации, температурная зависимость в соответствии с законом Аррениуса. Поверхностные процессы растворения и сорбции-десорбции учтены в форме нелинейных динамических краевых условий (дифференциальные уравнения динамики поверхностных концентраций атомарного водорода). Математическая особенность краевой задачи состоит в том, что производные по времени от концентраций входят как в уравнение диффузии, так и в граничные условия с квадратичной нелинейностью. В терминах общей теории функционально-дифференциальных уравнений это приводит к так называемым уравнениям нейтрального типа и требует разработки более сложного математического аппарата. Представлен итерационный вычислительный алгоритм второго (повышенного) порядка точности решения соответствующей нелинейной краевой задачи на основе явно-неявных разностных схем. Явная составляющая применяется к более медленным подпроцессам, что позволяет на каждом шаге избегать решения нелинейной системы уравнений.

Приведены результаты численного моделирования, подтверждающие адекватность модели экспериментальным данным. Определены степени влияния вариаций параметров водородопроницаемости («производные») на проникающий поток и распределение концентрации атомов H по толщине образца, что важно, в частности, для задач проектирования защитных конструкций от водородного охрупчивания и мембранных технологий получения особо чистого водорода. Вычислительный алгоритм позволяет использовать модель и при анализе экстремальных режимов для конструкционных материалов (перепады давления, высокие температуры, нестационарный нагрев), выявлять лимитирующие факторы при конкретных условиях эксплуатации и экономить на дорогостоящих экспериментах (особенно это касается дейтерий-тритиевых исследований).

Ключевые слова: водородопроницаемость, поверхностные процессы, численное моделирование, нелинейные краевые задачи, разностные схемы
Цитата: Заика Ю.В., Родченкова Н.И. Вычислительный алгоритм решения нелинейной краевой задачи водородопроницаемости с динамическими граничными условиями и концентрационно-зависимым коэффициентом диффузии // Компьютерные исследования и моделирование, 2024, т. 16, № 5, с. 1179-1193
Citation in English: Zaika Y.V., Rodchenkova N.I. Computational algorithm for solving the nonlinear boundary-value problem of hydrogen permeability with dynamic boundary conditions and concentration-dependent diffusion coefficient // Computer Research and Modeling, 2024, vol. 16, no. 5, pp. 1179-1193
DOI: 10.20537/2076-7633-2024-16-5-1179-1193
URL: http://crm.ics.org.ru/journal/article/3524/
Creative Commons License Статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Unported License.

Журнал индексируется в Scopus

Полнотекстовая версия журнала доступна также на сайте научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU

Журнал входит в систему  Российского индекса научного цитирования.

Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science

Международная Междисциплинарная Конференция "Математика. Компьютер. Образование"

Международная Междисциплинарная Конференция МАТЕМАТИКА. КОМПЬЮТЕР. ОБРАЗОВАНИЕ.

Copyright © 2009–2024 Институт компьютерных исследований