Υπολογιστικές Μέθοδοι στη Μεταλλουργία και Τεχνολογία Υλικών

Στο μάθημα αυτό περιγράφονται και αναλύονται συγκεκριμένες μέθοδοι και χρησιμοποιούνται προηγμένα υπολογιστικά προγράμματα που στοχεύουν:

  • Στον προσδιορισμό της δομής σύνθετων και πολύπλοκων συστημάτων από βασικές αρχές με τη μέθοδο προσομοίωσης Reverse Monte Carlo (RMC)
  • Στον προσδιορισμό των ιδιοτήτων τηγμένων συστημάτων με μεθόδους μοριακής δυναμικής (Molecular Dynamics, MD)
  • Στην επίλυση σύνθετων και πολυπαραμετρικών προβλημάτων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (computational fluid dynamics, CFD) με χρήση εργαλείων ANSIS Fluent ή/και COMSOL Multiphysics
  • Στην μελέτη και πρόβλεψη μετασχηματισμών φάσεων και μικροδομής και της κινητικής τους σε συστήματα υγρού/στερεού και στερεού/στερεού σε βιομηχανικά κράματα με τη χρήση σύγχρονων μεθόδων και λογισμικού προσομοίωσης (CALPHAD, Thermo – Calc®, DICTRA, MICRESS®)

Το μάθημα περιγράφει συνοπτικά το θεωρητικό υπόβαθρο ενώ γίνεται μια αρχική προσέγγιση σε προχωρημένες μεθόδους προσομοίωσης που εφαρμόζονται στη Μεταλλουργία και στην Τεχνολογία Υλικών που μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως εμβάθυνση σε ένα σύνολο αντικειμένων που αφορούν τη δομή και τους μετασχηματισμούς των υλικών και την κίνηση τους με βάση βασικές αρχές, αρχές ρευστοδυναμικής, θερμοδυναμική και χημική κινητική. Στόχος του μαθήματος είναι η περαιτέρω εμβάθυνση και εξοικείωση των σπουδαστών σε σύγχρονα εργαλεία και μεθόδους. Οι διαλέξεις των μαθημάτων θα συνοδεύονται από ασκήσεις/παραδείγματα που θα υλοποιήσουν με καθοδήγηση στον Η/Υ και θα ζητηθούν εργασίες που θα υλοποιηθούν μεμονωμένα ή σε ομάδες, για όλα τα επιμέρους συστήματα που περιλαμβάνονται στο μάθημα.

Περιγραφή

  1. Υπολογισμός δομής με τη μεθοδο Reverse Monte Carlo. Περίθλαση ακτίνων Χ και νετρονίων. Υπολογισμός του συντελεστή δομής και των συναρτήσεων κατανομής ζευγών. Ανάλυση της μεθόδου βελτιστοποίησης RMC. Υπολογισμός πιθανής δομής τηγμάτων, ρευστών, υάλων και κρυσταλλικών υλικών.
  2. Μοριακή Προσομοίωση (MD) Υλικών. Εισαγωγή στην μοριακή προσομοίωση- περιπτωσιολογικές μελέτες. Βασικές αρχές στατιστικής μηχανικής. Συναρτήσεις δυναμικού, υπολογιστικά κελιά (supercells), περιοδικές συνθήκες και υπολογισμός συνάρτησης δυναμικής ενέργειας. Στατιστικά σύνολα ισορροπίας (μικροκανονικό, κανονικό και ισόθερμο-ισοβαρές). Συσχέτιση στατιστικών συνόλων ισορροπίας με εξισώσεις υπολογισμού θερμοδυναμικών ιδιοτήτων. Προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Αλγόριθμοι επίλυσης των δυναμικών εξισώσεων και βασικές αρχές επίλυσης. Ανάλυση αποτελεσμάτων (τροχιών σωματιδίων) για τον υπολογισμό δομικών, δυναμικών και θερμοδυναμικών ιδιοτήτων (πυκνότητα, ιξώδες, ηλεκτρική αγωγιμότητα, διηλεκτρική σταθερά κλπ.). Προσομοίωση μεταλλουργικών υλικών με χρήση υπολογιστικών πακέτων (π.χ. σκωρία, σιδηρονικέλιο κλπ)
  3. Υπολογιστικές μέθοδοι ρευστομηχανικής (CFD). Εισαγωγή στις φυσικές και μαθηματικές βάσεις της δυναμικής των ρευστών. Μελέτη εξισώσεων διατήρησης μάζας, ορμής και ενέργειας. Ανάλυση ασυμπίεστων και συμπιεστών ρευστών. Μελέτη βασικών εξισώσεων τύρβης. Μέθοδοι πεπερασμένων διαφορών και πεπερασμένων όγκων. Εξισώσεις Navier-Stokes και παραδοχές. Συμπιεστές και ασυμπίεστες ροές. Μέθοδοι διακριτoποίησης εξισώσεων διατήρησης. Ανάλυση επιλυτών αραιών αλγεβρικών συστημάτων. Προσομοίωση μεταλλουργικών συστημάτων με χρήση υπολογιστικών κωδίκων πεπερασμένων όγκων.
  4. Εισαγωγή στη μέθοδο CALPHAD για τον υπολογισμό θερμοδυναμικής ισορροπίας.
  5. Υπολογιστικές μέθοδοι κινητικής μετασχηματισμών φάσεων. Βασικές έννοιες αναφορικά με την διάχυση. Εισαγωγή στην προσομοίωση μετακινούμενης διεπιφάνειας. Ανάλυση μοντέλων Sharp Interface, Mixed – mode και Solute Drag. Ανάλυση συνθηκών τοπικής ισορροπίας.
  6. Υπολογιστική μέθοδος εξέλιξης μικροδομής phase – field. Εισαγωγή στο μοντέλο phase – field. Προσομοίωση μετασχηματισμών φάσεων υγρού – στερεού, στερεού – στερεού. Εξέταση φαινομένων ανακρυστάλλωσης και μεγέθυνσης κόκκων.

Σύνδεσμος στο Helios: https://helios.ntua.gr/course/view.php?id=2129