Регистрация / Вход
Прислать материал

Динамика полости в расплаве металла: молекулярно-динамическое и континуальное моделирование

Сведения об участнике
ФИО
Авдеева Анна Вячеславовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Динамика полости в расплаве металла: молекулярно-динамическое и континуальное моделирование
Резюме
В настоящей работе проведена проверка применимости уравнения Рэлея-Плессета для описания динамики полости в расплаве алюминия с помощью метода молекулярной динамики. Исследованы случаи схлопывания, роста и переменного поведения полости в расплавах при температуре T = 1000, 1500, 2000, 2500 К. Получены хорошие соответствия результатов континуального и молекулярно-динамического моделирований для случая схлопывания полостей при нулевом и отрицательном давлениях в окружающей полость жидкости. Показано, что уравнение верно описывает динамику роста полости при высокоскоростном растяжении расплава, однако для описания процесса переменного поведения полости уравнение не применимо.
Ключевые слова
Динамика полости, высокоскоростное растяжение, уравнение Рэлея - Плессета, молекулярная динамика
Цели и задачи
Цель работы: проверить применимость уравнения Релея-Плессета [15] для описания динамики полости в расплаве металла с помощью метода молекулярной динамики.

Задачи работы:
1. Провести обзор математических моделей динамики сферического пузырька в поле давления.
2. Провести обзор используемых в молекулярно-динамическом моделировании алгоритмов.
3. Провести молекулярно-динамическое и континуальное моделирование динамики полости в расплаве металла.
4. Выполнить анализ результатов.
Введение

 В последние годы все большее внимание привлекают исследования металлов в экстремальных условиях [1,2]. Такие состояния вещества могут быть получены в результате быстрого ввода энергии в него. В частности, исследование процесса деформации и разрушения металла при высокоскоростном растяжении представляет интерес.

 Верный выбор уравнения для описания динамики полости в расплаве является залогом построения корректных моделей поведения расплава в экстремальных условиях. Оценить применимость того или иного уравнения можно путем молекулярно-динамического моделирования динамики полости. Поэтому актуальным является исследование динамики полости в расплаве двумя подходами: континуальным и молекулярно-динамическим моделированием.

Методы и материалы

 Континуальное описание динамики полости в расплаве металла проведено с помощью уравнения Рэлея-Плессета. Уравнение решалось численно: явным методом Эйлера с временным шагом 0.001 пкс. Для проверки верности континуального описания динамики полости использовался метод молекулярной динамики. 

Описание и обсуждение результатов

В настоящей работе проведено исследование динамики полости в расплаве алюминия двумя подходами: континуальным и молекулярно-динамическим моделированием. В качестве континуальной модели выбрано уравнение Рэлея-Плессета. Оно является достаточно простым для численного решения и позволяет учитывать эффект инерции при движении полости, поверхностное натяжение и вязкость окружающей полость жидкости.

 Показано, что уравнение Рэлея-Плессета отлично описывает процесс схлопывания полости при нулевом и отрицательном давлениях в окружающем расплаве.

 Получены хорошие соответствия континуального и молекулярно-динамического моделирований для случая роста полости при высокоскоростном растяжении расплава, поэтому уравнение Рэлея – Плессета можно использовать при построении теоретических моделей процесса деформации и разрушения расплавов, вызванного сильноточным электронным или ультракоротким лазерном облучениях.

 Континуальная модель оказалась не применимой для описания процесса переменного поведения полости при растяжении расплава. Установление природы данного расхождения составляет большой интерес. Для этого требуется провести дополнительное широкодиапазонное моделирование, что может являться продолжением данной работы.

Используемые источники
1. Майер, П.Н. Модель разрушения расплавов металлов и прочность расплавов в динамических условиях / П. Н. Майер, А. Е. Майер // Письма в ЖЭТФ. – 2015. – Т. 148, вып. 1(7). – С. 42–55.
2. Kuksin, A. Yu. Model of fracture of liquid aluminum based on atomistic simulations / A. Yu. Kuksin, P. R. Levashov, V. V. Pisarev, M. E. Povarnitsyn, A. V. Yanilkin, A. S. Zakharenkov // Physics of Extreme States of Matter. – 2011. – P. 57–59.
Information about the project
Surname Name
Avdeeva Anna
Project title
The dynamics of the cavity in metal melt: molecular dynamics and continuum simulation
Summary of the project
The check of applicability of the Rayleigh-Plesset equation for the description of dynamics of cavity in metal melt was performed in this work by using molecular dynamics (md) simulation. The aluminum melt was choosen. The cases of collapse, growth and changeable behavior of cavity (reducing the radius gives way to its growth) in melts at temperatures T = 1000, 1500, 2000, 2500 К were investigated. A good agreement of the results of continuum and md simulations for the case of collapse of cavitys at zero and negative pressures in surrounding liquid was obtained. Also it was shown, that the Rayleigh-Plesset equation describes rightly the dynamics of growth of cavity at ultra-high tension of melt, but this equation is inapplicable for the description of changeable behavior of cavity at ultra-high tension.

Keywords
The dynamics of the cavity, ultra-high tension, the Rayleigh-Plesset equation, molecular dynamics