Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из приоритетных направлений современной науки является создание новых металлических материалов с заранее заданными свойствами. Потребности новейших технологий потребовали перейти к исследованию ситуаций, для которых натурные эксперименты крайне затруднены или неосуществимы, а чисто теоретический анализ слишком сложен. Этот разрыв между возможностями теории и эксперимента в физической химии оксидных расплавов успешно заполняет математическое моделирование с применением ЭВМ. Одним из перспективных и активно развивающихся методов компьютерного моделирования является метод молекулярной динамики, позволяющий определить целый комплекс свойств (структурные, термодинамические, транспортные) и исследовать их взаимосвязи. При этом точность получаемых результатов определяется используемыми математическими моделями и размерностью моделируемой системы.
Свойства металлов в твердой фазе во многом определяются характеристиками расплава, его жидких фаз (металла и шлака) и закономерностями обменных взаимодействий на границе их раздела. Основой большинства металлургических шлаков являются оксидные расплавы. Из-за специфики процессов протекающих в полимеризующихся оксидах и сложности их моделирования (недостаточно данных для изучения транспортных свойств ионов, особенности характера межчастичного взаимодействия, специфическая форма потенциалов и др.) резко увеличивается время модельных расчетов. За последнее десятилетие рядом авторов (BJ.Alder, A. Rahman, А.Н.Лагарьковым, L.Verlet, D.Beeman, R.W.Hockney и др.) были разработаны подходы используемые в локальных программных комплексах T.F.Soules, S.KMitra, Л.И. Вороновой, Д.К.Белащенко, П.Ф.Зильбермана, Г.Г.Бойко и др. которые позволяют исследовать системы с небольшим количеством частиц (~ 10 -10 частиц). Однако для более
полного представления о процессах происходящих в оксидных расплавах необходимо рассчитывать системы, состоящие из 10 - 10 и более частиц. Поэтому актуальной является задача разработки новых математических моделей, позволяющих учитывать 10 и более частиц при исследовании оксидных расплавов с применением современных вычислительных систем и программного обеспечения.
Цель и задачи работы.
Целью работы является разработка математических моделей и создание программного комплекса для моделирования систем большой размерности в физической химии оксидных расплавов.
Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:
разработать математическую модель оксидного расплава в ионном приближении для распределенного молекулярно-динамического моделирования;
разработать модель распределенных вычислителей для расчета многокомпонентных оксидных систем большой размерности;
\
рос национальная] библиотека i
СІІетервтег І/-Л
її її т**
спроектировать архитектуру распределенной информационно-исследовательской системы (ИИС), позволяющей моделировать оксидные системы большой размерности;
разработать программные оболочки для комплекса программ по молекулярно-динамическому и статистическому моделированию с использованием CORBA-технологии;
реализовать подсистему распределенного молекулярно-динамического моделирования для обеспечения функционирования разработанной ИИС;
провести компьютерные эксперименты по молекулярно-динамическому и статистическому моделированию многокомпонентной оксидной системы.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решаются на основе молекулярно-динамического метода, теории вероятностей и математической статистики с применением новых информационных технологий.
Научная новизна.
В работе новыми являются следующие результаты:
построена математическая модель в ионном приближении для распределенного молекулярно-динамического моделирования многокомпонентных оксидных систем большой размерности;
разработана модель распределенных вычислителей для расчета оксидных систем большой размерности (на базе высокопроизводительных вычислений с использованием CORBA-технологии);
спроектирована архитектура распределенной ИИС позволяющей моделировать оксидные системы большой размерности;
разработаны программные модули (CORBA-оболочки) для комплекса программ по молекулярно-динамическому и статистическому моделированию;
реализована и интегрирована в ИИС подсистема распределенного молекулярно-динамического моделирования;
в рамках созданного программного комплекса проведены компьютерные эксперименты по молекулярно-динамическому и статистическому моделированию оксидной системы FeO-SiC>2-CaO-MgO, получены зависимости между характеристиками описывающими её состав и свойства, осуществлено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.
Научная значимость работы
Разработанные в диссертации математические модели оксидных систем большой размерности могут быть использованы для развития современных концепций прогнозирования материалов с заранее заданными свойствами.
Существенное увеличение размерности моделируемых систем до 10 - 10 частиц принципиально изменяет возможности формально-математического описания физико-химических явлений, переводя его на уровень исследования корреляций свойств в зависимости от особенностей наноструктуры. Это расширяет круг моделируемых свойств и повышает значимость модельных расчетов для фундаментальных исследований в физической химии оксидных расплавов.
Практическая значимость работы
Разработка комплекса программ для распределенного моделирования систем большой размерности существенно расширяет возможности компьютерного эксперимента. Разработка программных оболочек на базе CORBA-технологии обеспечивает возможности использования в ИИС разнородных программных модулей созданных разными специалистами.
Разработка и интеграция системы распределенного молекулярно-динамического моделирования в ИИС предоставляет широкому кругу исследователей возможность удаленного доступа к проведению компьютерного эксперимента и физико-химическим результатам, обладающим прогнозными возможностями.
Результаты работы могут быть использованы в таких областях как физическая химия, теория металлургических процессов, черная и цветная металлургия, компьютерное материаловедение.
На защиту выносятся следующие результаты:
модель многокомпонентного оксидного расплава большой размерности для распределенного молекулярно-динамического моделирования;
модель распределенных вычислителей разработанная на базе CORBA-технологии;
архитектура распределенной информационно-исследовательской системы;
программные модули (CORBA-оболочки) для комплекса программ по молекулярно-динамическому и статистическому моделированию;
подсистема распределенного молекулярно-динамического моделирования ИИС;
результаты компьютерного моделирования многокомпонентной оксидной системы FeO-Si02-CaO-MgO: структурные характеристики ближнего порядка (парциалиные функции радиального распределения, средние длины связей и углы между частицами, координационные числа), доли полианионных комплексов с разным содержанием оксида-сеткообразователя, конфигурационное время жизни комплексов, доли кислорода различного типа, термодинамические параметры (температура внутреннее давление, молярные теплоемкости) и транспортные свойства (коэффициенты диффузии, сдвиговая вязкость).
Апробация работы. Материалы работы докладывались на региональной научной конференции "Применение информационных технологий в научных исследованиях и обучении" (Курган, 1999), International Symposium on Cluster and Nanostructure Interfaces «ISCANI» (USA, 1999), International Conference on Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies, MMT-2000 (Israel, 2000), 5-ом и 6-ом Российских семинарах "Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов" (Курган, 2000, 2002), региональной конференции «Информационные технологии в обществе. Различные аспекты информатизации» (Курган, 2000), X Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Екатеринбург, 2001), Fifth International Conference on Materials Chemistry (University of Wales, UK, 2001), International Conference on Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies. MMT-
2002 (Israel, 2002), IV Международной конференции «Компьютерное моделирование 2003», (С.-Петербург, 2003), Российской конференции «Высокопроизводительные вычисления и технологии ВВТ-2003» (Ижевск, 2003), Всероссийской конференции «Информатика и информационные технологии-2003» (С.-Петербург, РГПУ им.Герцена, 2003).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения и списка литературы включающего 166 наименований. Работа изложена на 150 страницах, содержит 25 рисунков и 11 таблиц.
