Введение к работе
Актуаль"ость исследования
Ыорфологкя фронта аатвердез-доія является ваягам фактором, определяющим физические и технологические овойотэа твердой фазы tl3._ фоцесс движения границы раздела фаз при кристаллизации а бинарном расплаве описывается нелинейными дифференциальными уравнения а частных производных, реиение которых как аналитическими, так и численными методами найдено только для упрощенных случаев [2,3]. Одно из упропения заключается в усреднении мгновенных аначений соответствующих переменных либо во времени, либо по объему надмолекулярных размеров, что исключает из рассмотрения стохасткчность яидкой фазы, которая индуцирует случайные изменения температуры и концентрации, приводя к изменению морфологии границы раздела фаз. Актуальна задача исследования влияния вероятностных процессов в яидкой фазе на кинетику и морфодинамкку фронта кристаллизации.
Настоящая диссертационная работа выполнена з рамках гранта No 49/0-1 Госкомвуза VO по фундаментальным проблемам в области '.«таялургии и гранта No' 1.26 Мзлшузовской научно-техни-ческсй программы "Азтоьгатизированные системы мэдико-биологического назначения" (1991-19G5).
Даль работы - исследование влияния интенсивности флуктуации диффузионного поли концентрации примеси на морфскинетику и динамику поверхности раздела фаз при кристаллизации в бинарном расплаве без учета факторов, стабилизиругазос морфологическую неустойчивость (свободная поверхностная энергияі кинетические явления на поверхности раздела, механическое и конвективное перемешивание среды и т.п.).
Для этого были репены следующие задачи:
-
Создана компьютерная программа модели расплава, удов-летворягацзя критериям теории индуцированных щумом. переходов, предъявляемым к молили для исследования влияния внеснего флуктукрупяего фактора на поведение макросистемы.
-
Введены количественные параметры для описания юрфоки-нетики и динамики поверхности раздела фаз..
а Проанализированы зависимости динамических и ыорфоыет-рических характеристик системы от интенсивности флуктуации состава среды и выявлены механизмы влияния ревдомианрукзэго
фактора на изменение этих параметров. Научная новизна
-
Предложена вычислительная имитационная модель, позволяющая исследовать влияние внешнего шума на поведение динамической системы; динамическая система - фронт кристаллизации, внешний шум - флуктуации состава среды. Новизна предлагаемой модели заключается в сочетании принципа диффузионно-ограниченной агрегации, клеточных автоматов и методов обработки изображения, что позволяет управлять интенсивностью флуктуации среды и количественно оценивать морфологию растущих структур.
-
Автором введены морфометрические коэффициенты, характеризующие различные типы морфологической неустойчивости поверхности кластеров: от кластеров со слабо развитой шероховатостью поверхности до разветвленных открытых фрактальных кластеров.
-
Предложен один из возможных механизмов возникновения фрактальной случайной величины, описывающей состояние системы. Это мультипликативно* взаимодействие фронта кристаллизации с внешним белым шумом флуктуации состава милкой фазы.
-
Количественно оценена степень детерминизма хаотичности пространственной динамики фронта. Установлено, что возникновение детерминированного хаоса в системе связано с появлением ячеек на фронте, когда число их начинает возрастать, а ширина уменьшаться. Недетерминированный пространственный хаос обусловлен движением фронта посредством ветвлений.
Научная и практическая ценность
-
Обнаружено, что диффузионное поле концентраций обуславливает те же типы морфологической неустойчивооти, что и при учете влияния стабилизирующих факторов. Таким образом, первопричиной конкретного морфотипа неустойчивости является пространственно флуктуирующий фактор, а стабилизирующие факторы только корректируют регулярность геометрии неустойчивости. Данная закономерность мотат быть использована при определении набора существенных переменных для управления морфологией фронта затвердевания с целью получения кристаллических тел с заранее заданными физическими и технологическими свойствами.
-
Полученные в результате вычислительных экспериментов зависимости могут быть использованы в качестве градуировочвых кривых, предсказывающих изменение типов морфологической не-
- Б -
устойчивости фронта затвердевания при возникновения градиента интенсивности флуктуации диффузионного поля концентраций.
3. Показано, что морфометрические коэффициенты могу? Сыть использованы в современных анализаторах иэсбраленкл для распознавания реальных структур, обладающие различной, локальной упорядоченность»
Ка защиту выносятся:
1. Результаты численного моделирования влияния интенсив
ности флуктуации состава бинарного расплава на
морфологию изолированного кластера,
кинетику роста ансамбля кластеров,
линейный участок границы рааделз фаз при кристаллизации.
-
Положение о соответствии изменения морфоткпов кластеров изменению кинетических зависимостей роста ансамбля і«асте-ров.
-
Вывод о качестзеннои согласии типов мзрфологической неустойчивости фронта с ыорфотияами ке/ігоячквоста кластеров, которые имею? количественную ОВСН!«У.
-
Установленный в рамках модели кехаяизм изменения мор-фотипов фронта, согласно которому сиена иорфотипов фронта обусловлена изменением степени согласованности или анизотропии движения фронта в двух взаимоперпендикудярных направлениях.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуллены на П Мгждународной конференции "Математика, компьютеры, образование" (Пугано, 1995), 1 научно-технической конференции фкэико-технкческого факультета (Екатеринбург, 1994), XI семинаре по мехмолекулярному взаимодействию и кон-формациям молекул (Цусино, 1993), IX Всесоюзном семинаре по динамике молекул и молекулярных структур (Черноголовка, 1992), II Международной конференции по лштропнш гадким кристаллам (Изаново, 3993), III Игзгосударствеиной конференции "Проблєш преподавши аналитической химии" (Екатеринбург, 19S3), 1 Всесоюзной научной конференции студентов физиков (Екатеринбург, 1993), конференций европейских стран по жидкий кристаллам (Вильнюс, 1991), Всесоюзном совеїряив по автоматизация анализа, микроструктур (фкгпю, 1991), Кйядународяоы семинаре "Жизнь и компьютер" (Харьков, 1992), научно-технической конференции "Медицинские информационные системы" (Таганрог, 1993).
.-6-
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список использованных источников. Объем работы - 106 страниц, в токе числе 35 рисунков, 4 таблицы, библиографический список состоит кг 88 названий.
ДОА - диффузионно-ограниченная агрегация, КА - клеточные автоматы.