ИСТИНА

Целью проекта является развитие метода выпуклых оболочек для построения объемных фазовых диаграмм тройных и четверных систем с возможностью конструирования различных политермических разрезов, сечений и проекций ликвидуса. Ключевой фундаментальной задачей проекта является разработка методов расчета химических равновесий в однофазных объектах тройных систем и сочетание их с расчетами фазовых равновесий в рамках единого программного комплекса. Для этого будут использованы как традиционные приемы расчета химического равновесия путем минимизации энергии Гиббса фазы, так и модифицированный метод выпуклых оболочек, который позволит описать внутреннее равновесие конкретной фазы за счет введения дополнительных внутренних параметров фазы или, так называемых, химических переменных. Кроме того, в рамках проекта будет разработан специализированный алгоритм построения поверхности выпуклой оболочки, а также достигнута повышенная точность и надежность расчетов методом выпуклых оболочек за счет использования сеток с неравномерным распределением узлов. Планируется создание информационно-вычислительного комплекса, оснащенного базой данных наиболее распространенных термодинамических моделей с удобным пользовательским интерфейсом.

Главный результат проведенных исследований состоит в развитии алгоритмов построения фазовых диаграмм тройных и четверных систем методом выпуклых оболочек и модернизации программного комплекса TernAPI, созданного для этих целей в лаборатории химической термодинамики химического факультета МГУ. Выполнение проекта шло в трех основных направлениях: 1. развитие новых возможностей метода выпуклых оболочек при построении фазовых диаграмм тройных и четверных систем; 2. совершенствование эффективности работы созданного программного комплекса; 3. прикладные аспекты применения метода выпуклых облочек при термодинамическом моделировании конкретных систем. Развиты алгоритмы построения политермических разрезов, проекций и поверхностей ликвидуса фазовых диаграмм трехкомпонентных систем с использованием метода выпуклых оболочек, улучшены возможности построения границ фазовых полей вблизи особых точек диаграммы. Предложен способ распространения метода выпуклых оболочек на фазовые диаграммы в интенсивных термодинамических координатах, например, в координатах «состав - химический потенциал» и др. Преимущества применения метода выпуклых оболочек перед традиционными методами расчета фазовых диаграмм показаны на примере расчета ряда модельных четырехкомпонентных систем, а также системы Al2O3–CaO–MgO–SiO2. Созданы новые программные средства визуализации сложных многофазных и многокомпонентных областей в четырёхкомпонентных системах. В частности, разработаны программы, позволяющие видеть не только двух, трех- и четырехкомпонентные области, но и различать области с одинаковой компонентностью, но разным фазовым составам. Усовершенствована и дополнена база данных термодинамических моделей растворов электролитов, входящая в состав программного комплекса TernAPI, за счет введения в нее обновленной модели eNRTL и модели Питцера. Разработан единый формат данных для хранения различных термодинамических моделей многокомпонентных систем и параметров стабильности отдельных фаз. Кроме того был создан интерфейс для взаимодействия между ядром TernAPI и другими программами за счет добавления специальной библиотеки функций. Осуществлен перевод ядра программного комплекса TernAPI на языки Си и Ruby, что позволило ощутимо снизить требования к быстродействию компьютера, количеству оперативной памяти и дискового пространства за счёт отказа от громоздких библиотек среды MATLAB. В усовершенствованном программном комплексе реализован ряд новых возможностей. В частности повышена надёжность выделения областей тройной фазовой диаграммы вблизи особых точек (эвтектик, перитектик и т.п.), осуществлен переход к фазовым диаграммам в интенсивных термодинамических координатах, усовершенствован пользовательский интерфейс, улучшена визуализация фазовых диаграмм. Разработанный подход построения фазовых диаграмм был успешно применен для расчета равновесий во многих металлических, полупроводниковых, оксидных и водно-органических системах. На примере расчетов в системах (NH2)2CO-((NH2)2CO)2NH-H2O и HCOOK-(NH2)2CO-H2O показано, как применение метода выпуклых оболочек позволяет эффективно сочетать решение прямой и обратной термодинамических задач – построение фазовых диаграмм с использованием термодинамических моделей и оптимизацию параметров выбранных моделей. Разработана учебная версия программного комплекса TernAPI, апробированная в рамках расчетно-экспериментальной задачи практикума по физической химии для студентов химического факультета МГУ. В настоящее время программный комплекс реализован в трёх вариантах: полная версия, облегченная версия для учебных задач в практикумах по физической химии, а также онлайн-версия для установки на WEB-сервер.