Реализация механизма теплообмена на границе раздела газ-твердое тело в методе молекулярной динамики

Для реализации механизма теплообмена было принято допущение, что каждый атом в узле кристаллической решетки представляет собой единичный осциллятор, совершающий автоколебания, амплитуда которых зависит от температуры кристалла. Общий вид автоколебательной системы схематически показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема автоколебательной системы

В разрабатываемой модели роль источника энергии играет твердое тело, колебательной системой является ячейка поверхности, а регулятор и цепь обратной связи работают по схеме, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 – Блок-схема работы цепи обратной связи и регулятора

Здесь Е _{уставка} - энергия, соответствующая тепловым колебаниям иона твердого тела, Е _п . _стенки - текущее значение потенциальной энергии колебания иона твердого тела, К _ос - коэффициент обратной связи, Р _стенки — текущее значение импульса, соответствующее импульсу иона твердого тела.

В результате реализации данной схемы в тестовой системе были получены результаты, представленные на рисунках 3-5.

Рисунок 3 –Динамика единичного взаимодействия частицы с ячейкой поверхности при Е_СТ енки < ^ частицы

На данном рисунке можно увидеть, что за одно взаимодействие с ячейкой поверхности частица теряет некоторую энергию ДЕ , при этом энергия стенки после взаимодействия возвращается к исходному состоянию. Такое поведение системы свидетельствует о протекании процесса передачи энергии от частицы газа к стенке. Скачки в кинетической энергии ячейки обусловлены работой механизма регуляции (рисунок 2).

Рисунок 4 –Динамика единичного взаимодействия частицы с ячейкой поверхности при ЕСТенки > Ечастицы

На данном графике виден процесс передачи энергии от стенки к частице газа. Это свидетельствует, что предложенный алгоритм взаимодействия описывает оба направления энергообмена.

Рисунок 5 – Динамика установления энергетического равновесия в модельной системе

Из представленного графика можно увидеть, что энергия частицы сравнивается с энергией ячейки поверхности за 6 взаимодействий, что хорошо согласуется с известными из литературы данными[1].