АСТРА - Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ

И ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

< A C T P A . 4 >

АННОТАЦИЯ

Содержатся сведения о многоцелевом программном комплексе

АСТРА.4, предназначенном для определения характеристик равно-

весия, фазового и химического состава произвольных систем.

Приводится информация о возможных областях применения, об

ограничениях, связанных с допущениями математической модели, о

требованиях к аппаратным средствам.

Подробно рассматривается и иллюстрируется примерами способ

формирования входных данных. Дается описание выходных данных -

результатов моделирования химических и фазовых равновесий.

1. ВВЕДЕНИЕ

В основу алгоритма многоцелевого программного комплекса

АСТРА.4 положен универсальный термодинамический метод опреде-

ления характеристик равновесия произвольных гетерогенных сис-

тем, основанный на фундаментальном принципе максимума энтро-

пии. Этот метод предоставляет уникальную возможность обобщен-

ного описания любого высокотемпературного состояния с помощью

одних только фундаментальных законов термодинамики, независимо

от условий и способов достижения равновесия. Метод требует ми-

нимальной информации о самой системе и о ее окружении [1,2].

Формулировка задачи термодинамического моделирования зак-

лючается в назначении двух условий равновесия изучаемой

системы с окружающей средой. Ими могут быть либо численные

значения термодинамических характеристик, либо функциональные

соотношения между ними. Для описания самой системы, как мате-

риального объекта, необходимо знать лишь содержание образующих

ее химических элементов. Внутренние и межфазные взаимодействия

описываются модельными термодинамическими соотношениями, для

замыкания которых используются свойства только индивидуальных

веществ - компонентов равновесия.

Благодаря простоте моделирования программный комплекс

АСТРА.4 позволяет использовать термодинамический метод для

изучения большого числа самых разнообразных высокотемператур-

ных состояний и процессов.

Среди них можно назвать:

- определение области допустимых условий проведения техно-

логических процессов нанесения покрытий, получения ма-

териалов со специальными свойствами, синтеза сверхтвер-

дых и жаростойких соединений, ультрадисперсных порошков

и др.;

- расчетно-теоретическое изучение режимов металлургических

процессов выделения редких и легирующих элементов и

сплавов;

- исследование процессов нагрева, изменения химического

состава и термического разрушения изолирующих покрытий

при взаимодействии с химически активными средами;

- анализ энергетических возможностей и экологических про-

блем высокотемпературной комплексной переработки мине-

рального сырья и природных ресурсов;
- определение состава и свойств плазмы в импульсных и не-

прерывных источниках излучения, плазмогенераторах, в

аэрокосмической технике;

- анализ рабочего процесса в тепловых машинах и энергети-

ческих установках различного назначения;

- расчет характеристик и состава газообразных и гетеро-

генных сред за фронтом ударной волны.

Этот перечень может быть продолжен, поскольку область

применения программного комплекса АСТРА.4 ограничена лишь до-

пущениями математической модели, положенной в основу вычисли-

тельного алгоритма.

Эти допущения могут быть сформулированы следующим образом:

- рассматриваются системы в состоянии внешнего и внутрен-

него термодинамического равновесия (полного или локаль-

ного);

- рассматриваются замкнутые системы, то есть не обменива-

ющиеся веществом с окружающей средой;

- присутствие газовой фазы обязательно; газовая фаза

описывается уравнением состояния идеального газа;

- поверхностные эффекты на границе раздела фаз не учиты-

ваются, растворимость газов в жидких и твердых фазах

отсутствует;

- конденсированные вещества образуют однокомпонентные

несмешивающиеся фазы либо включаются в состав идеальных

конденсированных растворов.

В программном комплексе АСТРА.4 предусмотрена возможность

учета некоторых неидеальностей.

К ним относятся:

- исключение из числа учитываемых компонентов равновесия

любых индивидуальных веществ;

- возможность назначать (фиксировать) концентрации одного

или нескольких веществ с последующим расчетом равнове-

сия по оставшейся части системы;

- рассмотрение неидеальных конденсированных растворов пу-

тем задания избыточной энергии Гиббса;

- учет собственного объема, занимаемого конденсированными

веществами.

Расчеты состава фаз и характеристик равновесия проводятся

с использованием справочной базы данных по свойствам индивиду-

альных веществ. База данных является составной частью прог-

раммного комплекса АСТРА.4.

Основу информации в базе данных составляют термодинами-

ческие, теплофизические и термохимические свойства индивиду-

альных веществ, систематизированные в Институте высоких темпе-

ратур АН СССР [3], Национальном бюро стандартов США [4], опуб-

ликованные в периодической печати, монографиях и справочниках

[5,6,7,8,9 и др], а также обработанные и рассчитанные в

МГТУ им.Баумана по молекулярным, калориметрическим и спектро-

скопическим данным.

База данных сделана открытой для пользователей и допуска-

ет расширение и корректировку информации.

2. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ

Программный комплекс АСТРА.4 предназначен для использова-

ния на ПЭВМ, совместимых с IBM PC-XT/AT, в среде операционной

системы MS DOS весии 3.10 и старше.

Необходимый состав технических средств: процессор i80086,

i80286 или i80386, монитор CGA (EGA,VGA) c цветным или моно-

хромным экраном, накопитель на жестком диске и на гибких маг-

нитных дисках 5,25". Желателен математический сопроцессор

и печатающее устройство.

Диалог с пользователем программного комплекса АСТРА.4 ор-

ганизован на русском языке, поэтому знакогенератор (драйвер)

дисплея используемой ПЭВМ должен поддерживать прописные и

строчные буквы русского алфавита (поставляемый вариант прог-

раммного комплекса ориентирован на использование альтернатив-

ного варианта переменной части кодовой таблицы).

3. НАЧАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

Поставка программого комплекса АСТРА.4 производится на

дискетах, содержащих два архивных файла:

A1(ARC).EXE

A2(ARC).EXE

Для приведения программного комплекса АСТРА.4 в рабочее

состояние или восстановления утраченных файлов на жестком дис-

ке необходимо выполнить следующую последовательность действий:

а) создать на жестком диске новый каталог и войти в него

C: ...>MD C:ASTRA

C: ...>CD C:ASTRA

C:ASTRA>

б) вставить в накопитель A: на гибких магнитных дисках

дискету с аpхивными файлами и выполнить разархивиро-

вание

C:ASTRA>A:A1(ARC)

C:ASTRA>A:A2(ARC)

В результате этих действий в созданный каталог будут пе-

реписаны следующие файлы:

ASTRA.EXE - программа расчета химических и фа-

зовых равновесий

ASTRA.BAS - свойства индивидуальных веществ

(база данных)

INFO.EXE - программа обслуживания базы данных

INSTR.TXT - инструкция по эксплуатации прог-

раммного комплекса АСТРА.4

DEMO1, DEMO2 - файлы, содержащие демонстрационные

DEMO3, DEMO4 примеры

DEMO5, DEMO6

DEMO7, DEMO8

4. ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ

4.1. Вызов программного комплекса и его

настройка перед проведением расчетов

Для вызова программного комплекса АСТРА.4 необходимо пе-

рейти в каталог ASTRA и исполнить команду:

C:ASTRA>ASTRA

На экране дисплея появится заставка с бегущей строкой

и после нажатия любой клавиши начнется выполнение программы.

Вначале проверяется присутствие в текущем каталоге файла

ASTRA.BAS с базой данных. Если этот файл там отсутствует, то

пользователю задается вопрос:

- Где искать базу данных (путьимя_файла) ?

Необходимо указать имя того файла, который содержит базу

данных (если нужно, то и путь доступа к нему). Вопрос не сни-

мется до тех пор, пока названный файл не будет обнаружен.

Затем в рамке в центре экрана появится вопрос:

- Нужен вывод на печать ?

Допустимыми утвердительными ответами на этот вопрос явля-

ются Д[а] и Y[es]. Нажатие любой другой клавиши, включая кла-

вишу , равносильно ответу "Нет".

При желании получить документ с результатами проведенных

расчетов, пользователь должен привести в готовность печатающее

устройство. Если в момент запроса оно будет не готово, то пос-

ледует предложение сделать это и нажать любую клавишу. При от-

сутствии бумаги или связи с печатающим устройством дальнейшие

попытки организовать вывод на печать будут прекращены.

Установка режима вывода результатов на печать производит-

ся только один раз при настройке программного комплекса и в

дальнейшем не может быть изменена.

Следующий этап подготовки программного комплекса АСТРА.4

к работе начинается с вопроса:

- Источник ввода данных :

Одновременно высвечивается стандартный ответ "дисплей",

который предполагает, что ввод исходных данных будет произво-

диться с клавиатуры и подготовленное задание на расчет после

проведения вычислений не сохраняется. Если этот ответ удовлет-

воряет пользователя, то для подтверждения ему достаточно на-

жать клавишу . В противном случае, должно быть набрано

имя того файла, где находятся заранее подготовленные входные

данные (если нужно, то и путь доступа к файлу). По окончании

набора нажимается клавиша .

Затем пользователю задается вопрос:

- Вы хотите сохранить результаты ?

Допустимыми утвердительными ответами на этот вопрос явля-

ются Д[а] и Y[es]. Нажатие любой другой клавиши, включая кла-

вишу , равносильно ответу "Нет".

После получения утвердительного ответа следует сообщить

имя файла, в который должны записываться результаты всех рас-

четов:

- Куда записать результаты (путьимя_файла) :
Вместе с этим вопросом на экране появляется имя

Astra.res, которое предлагается использовать по умолчанию.

Нажатием клавиши предложение принимается.

Нужно помнить, что при этом потеряется информация, ранее запи-

санная в файл Astra.res. Чтобы сохранить ее, следует адресо-

вать результаты в другой файл. Для этого вместо Astra.res на-

бирается любое имя файла и нажимается клавиша .

Формат данных для вывода в файл устанавливается при отве-

те на следующий вопрос: