EKh / Материалы по электра / Вступ1-a

Міністерство освіти i науки України

Український державний хіміко-технологічний

університет

М.Д. Кошель

комп’ютернЕ моделювання

Електрохімічних систем і процесів

програмний комплекс

“ЕЛЕКТРА”

навчальний посібник

Дніпропетровськ

2004

ББК 99.99

Рецензенти: Ткаленко Д.А., д-р. техн.наук, проф. НТУ КПІ

Сахненко М.Д., д-р. техн.наук, проф. НТУ ХПІ

Автори: М.Д.Кошель

Гриф наданий Міністерством освіти і науки України,

Лист №………… від ……………………..

ISBN 999-9999-99-9

Комп’ютерне моделювання електрохімічних систем і процесів. Програмний комплекс “ЕЛЕКТРА”: Навчальний посібник /

М.Д.Кошель. Дніпропетровськ: УДХТУ, 2004 –……с

У навчальному посібнику описані правила користування програмною системою «ЕЛЕКТРА», призначеною для математичного моделювання різних електрохімічних об’єктів – процесів, методів досліджень, пристроїв.

Посібник призначений для викорастання в лабораторних практикумах і розрахункових заняттях з дисципліни «математичне моделювання і використання ЕОМ в галузі», з профільних дисциплін спеціальності «технічна електрохімія», для виконання спеціальних розрахунків в курсовому і дипломному проектуванні, для обробки даних спеціальних електрохімічних досліджень.

УДК 66.01: 541.13–519.67

ISBN 999-9999-99-9 Кошель М.Д. 2004

	ЗМІСТ
	Вступ…………………………………………………………………………
1.	елементи техніки комп”ютерного моделювання……….
1.1	Елементи алгоритмічної мови ФОРТРАН………………………………..
1.2	Структура і функції системи «ЕЛЕКТРА»
1.3	Правила роботи з програмами в системі «ЕЛЕКТРА»……………………
2.	Масообмінні процеси в електрохімічних cистемах………
2.1	Програма ЕХА. Моделювання масообмінних процесів в електрохімічних апаратах ідеального змішуванн. Нестаціонарний режим роботи……………
2.2	Програма ЕХАST. Моделювання масообмінних процесів в електрохімічних апаратах ідеального змішування. Стаціонарний режим…….
2.3	Програма ЕХАw. Моделювання масообмінних процесів в електрохімічних апаратах ідеального витіснення……………………………….
2.4	Програма GAL . Mоделювання нестаціонарних масообмінних процесів в гальванічній ванні………………………………………………………...……..
2.5	Програма SUS. Mоделювання стаціонарних масообмінних процесів в промивних системах гальванічних ліній………………………………..………..
2.6	Програма SUN. Mоделювання нестаціонарних масообмінних процесів в промивних системах гальванічних ліній…………………………...…………..
3.	Енерготеплові процеси в електрохімічних cистемах……..
3.1	Програма TRM2. Mоделювання теплообмінних процесів в електрохімічних апаратах………………………………………...………………..
3.2	Програма UTT. Mоделювання струмів витоку в багатовольтних електрохімічних групах……………………………………..…………………
4.	Макрокінетика пористих cистем. ………………………….……..
4.1	Програма PRЕ1F77. Mоделювання електричного поля в рідинному пористому невитратному електроді………………………………………………
4.2	Програма PRЕРАS. Mоделювання стаціонарних процесів в рідинному пористому невитратному електроді………………………………………………
4.3	Програма POR-TF. Mоделювання розряду пористого твердофазного електрода……………………………………………………………………………
4.5	Програма PDFPAS. Mоделювання роботи діафрагми (сепаратора)……
5.	макрокінетика великогабаритних електрохімічних систем ……………….………………………………………………………
5.1	Програма MOL . Mоделювання електричного поля в щілинній ячейці Моллера і визначення розсіюючої здатності електролітів……………………...
5.2	Програма LPL . Моделювання електричного поля в прямокутній ячейці з тонкими плоскопаралельними електродами……………………………………..
5.3	Програма PRT. Моделювання електричного поля в області дії круглого протектора ( одновимірна задача з радіальною симетрією)
5.4	Програма FEL . Mоделювання первинного електричного поля в прямокутній ячейці з електродами довільної форми…………………………..
6.	Методи електрохімічних вимірювань і обробка даних……
6.1	Програма APR . Апроксимація експериментальних даних поліномами...
6.2	Програма APRЕХ . Апроксимація експонеційними функціями
6.3	Програми IREXIT (IXIT, EXIT, RXIT) . Обробка розрядної хактеристики хімічного джерела струму………………………………….
6.4	Програма INTG. Інтегрування функції………………………………………
6.5	Програма NELTU. Вирішення трансцендентних та нелінійних рівнянь….
6.6	Програма VAMCG. Моделювання циклічної вольтамперограми………….
6.7	Програма GOD. Моделювання імпедансних вимірювань………
6.8	Програма STAT. Статистична обробка результатів вимірювань
6.9	Програма MANGO. Моделювання розрядних характеристик елемента хімічного джерела струму……………………………………………………

Вступ

Математичне моделювання в епоху бурхливого розвитку комп’ютерних технологій обробки даних стало невід’ємною частиною будь-яких наукових дисциплін, в тому числі навіть гуманітарних.

В галузі технічної електрохімії існує велика кількість важливих задач, які через математичну складність не можуть бути аналітичним шляхом доведені до більш-менш прийнятного за точністю рішення (формул), яким можна скористуватись в практичних цілях. З другого боку, ці задачі є важливим компонентом матеріалу навчальної дисципліни, без глибокого розуміння якого неможливо кваліфіковано вирішувати професійні завдання.

Через це протиріччя традиційно такі матеріали вивчались лише на якісному рівні, з гранично спрощеними елементарними оцінками, які незважаючи на інколи навіть формально кількісний характер, фактично були якісними. В подібних задачах неможливо кількісно обгрунтовувати практичні управлінські дії, які вимагає технологічна ситуація.

Математичне (комп’ютерне) моделювання є відмінним механізмом, який дозволяє обминути вказане протиріччя і одержати коректні кількісні оцінки в саме таких практично важливих, але недоступних іншим інструментам інженерних задачах.

В навчальному процесі математичне моделювання переслідує дві мети.

Перша – сформувати уміння і навички алгоритмічного мислення, тобто уміння складне технічне завдання розкласти на послідовні простіші дії і вказати способи і порядок їх здійснення. Ця мета досягається практикою складання простих програм на будь-якій алгоритмічній мові, бажано – найпростішій. В цьому аспекті програмування з використанням найпростіших елементів алгоритмічних мов є лише допоміжним інструментом, який потрібен для того, щоб записати алгоритм розрахунків - послідовність і зміст обчислювальних операцій, як правило елементарних. Програма, крім того, що вона є технічним інструментом звязку з ЕОМ – це ще і найпростіший і найкоротший спосіб висловити ідею алгоритму, і її можна використати саме для пояснення ходу обчислювальних операцій краще, ніж будь-якими іншими словами.

Друга мета– ознайомитись з актуальними технічними проблемами спеціальності, які через складність не мають простого математичного опису і простих аналітичних рішень (у вигляді формул), але можуть бути розв’язані числовими методами. Ця мета досягається шляхом математичного моделювання відповідних фізичних об’єктів і детального аналізу конкретних числових результатів моделювання (імітація аналізу даних фізичного експерименту). В таких випадках немає необхідності виконувати складні математичні операції. Кінцевий результат – одержати конкретне рішення - завжди буде досягагнутий і доступний для аналізу.

Перший найпростіший спосіб моделювання, як і в фізичному експерименті (а математичне моделювання і є числова модель експерименту) – це вивчення впливу окремих факторів на властивості фізичного об’єкта. Якщо дія фактора виражена значенням одного відповідного варіативного (змінного) параметра, його числове значення змінюють, повторюючи рішення декілька разів і порівнюючи результати. Звертають увагу на такі моменти:

• На які саме кінцеві параметри (результати розрахунку) впливає даний фактор (потрібно пояснити механізм дії).

• Який кількісний рівень змін. Часто характер впливу фактора якісно відомий, і завдання якраз і полягає в тому, щоб визначити саме кількісний рівень його дії.

Другий спосіб – коли фактор, який досліджується, звязаний з більше ніж одним параметром. Наприклад, вплив фактора “міграційна рухомість іонів” на розподіл концентрацій реагентів в пористих електродах – залежить від знака і величини зарядових чисел іонів, їх концентрацій, рухомостей, концентрації фонового електроліту, напрямку струму. Для того, щоб в таких випадках одержати відповіді на окремі питання, потрібно спочатку спеціально спланувати модельний (числовий) експеримент, так, щоб в результатах можна було знайти відповідь. Очевидно, що тут потрібно спочатку вивчити якісні властивості фізичного об’єкта (підготовка до роботи), і точно уявити собі, які саме “досліди” потрібно виконати, щоб одержати бажану інформацію.

Третій, найбільш складний спосіб моделювання (він інколи потребує внесення змін до самої програми) – перевірка гіпотез. Припустимо, що для об’єкта, який моделюють, відомі головні вихідні характеристики і залежності між окремими факторами – як правило, це звичайні функціональні характеристики діючого об’єкта. В той же час деталі внутрішніх процесів (наприклад механізм або кінетика окремих процесів) невідомі і замасковані дією численних додаткових макрокінетичних факторів. Тоді, вводячи в саму математичну модель різні варіанти локальних кінетичних закономірностей і порівнюючи результати моделювання з відомими даними, можна знайти таку закономірність, яка в найбільшій мірі відповідає дійсності.

В цьому посібнику наведено повний опис роботи програм, які реалізують алгоритми вирішення математичних моделей найважливіших об’єктів технічної і теоретичної електрохімії і використовуються в лабораторному практикумі з дисципліни “математичне моделювання і використання ЕОМ в технології”. Більшість розглянутих тут технічних об’єктів електрохімії і їх математичні моделі детально описані в попередньому навчальному посібнику автора “ Моделирование на ЭВМ элементов электрохимической технологии”, Киев, УМК ВО, 1992 р. Проте наведені там тексти більшості програм (крім програм ЕХА, ЕХАSТ) були призначені не для для практичного використання, а лише як коротка і вичерпна ілюстрація алгоритму. Деякі з наведених там “закритих” програми при експлуатації в навчальному процесі і у зв’язку з появою нової комп’ютерної техніки зазнали суттєвих змін. Окремі програми були повністю реконструйовані на нових елементах алгоритмів, тому їх попередні спрощені варіанти далі вже непотрібні (VUL, ZNK). В більшості програм окремі вихідні дані виводяться в графічній формі, що набагато спрощує аналіз результатів.

Принциповою особливістю описаних в цьому посібнику програм комп”ютерного моделювання є те, що вони організовані і працюють в середовищі і під управлінням спеціальної програми “LAB” як єдина програмна система “ЕЛЕКТРА”. Ця система має власну внутрішню базу довідкових даних, вона структурована у відповідності з тематикою електрохімії, забезпечена трьохрівневими вкладеними “меню”, механізмами накопичення даних, пошуку даних, допоміжними програмами виконання типових математичних операцій, запам”ятовування графіків, тощо. Система розвивається і розрахована на включення в неї наступних програмних продуктів.

Система “ЕЛЕКТРА” спроектована для роботи в операційній системі MS DOS, використовує графічні можливості системи програмування Турбо Паскаль. “ЕЛЕКТРА” працює також і в середовищі Windows, де передбачено програмну емуляцію системи MS DOS.