Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИИ И КИНЕТИКИ МАССОПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Ганюков A.A. 1 Кадырова И.A. 2 Кадыров A.С. 1 Маратов Д.Д. 1
1 Карагандинский технический университет
2 Карагандинский медицинский университет
В работе рассмотрено моделирование процесса диффузии и переноса веществ в различных средах с применением единого математического аппарата. Рассматривается общая система дифференциальных уравнений в частных производных для описания диффузии вещества и изменения кинетики массообмена веществ. Приводимая система уравнений по аналогии может описывать различные с физической точки зрения процессы диффузии и изменения удельного объема вещества в различных средах. Для этого была проведена проверка размерностей всех величин, входящих в уравнения по методам подобия и размерности. Решение общей системы уравнений с различными начальными и граничными условиями было осуществлено методом конечных разностей с применением неявной (устойчивой) разностной схемы. Решение линейных алгебраических уравнений по полученной неявной разностной схеме реализовано с помощью метода обратной прогонки. Полученные решения могут быть использованы при описании процессов диффузии и массообмена вещества при описании химических процессов, биохимических реакций в организмах, фильтраций жидкостей в средах, такие как грунты, почвы, атмосфера, дисперсные среды и т.п. Для этого необходимо заменить соответствующие коэффициенты в уравнениях, которые соответствуют описанию модели соответствующей среды.
диффузия веществ
массообмен
уравнения диффузии
уравнения кинетики
метод конечных разностей
1. Волькенштейн М.В. Биофизика: учебное пособие. СПб.: Лань, 2012. 608 c.
2. Бекман И.Н. Математика диффузии: учебное пособие. М.: Издательство «ОнтоПринт», 2016. 400 с.
3. Клюкин В.И., Николаенков Ю.К. Электрические и математические модели нейронов. Воронеж: «Издательский центр ВГУ», 2011. 163 с.
4. Егерев В.К. Диффузионная кинетика в неподвижных средах. М.: Наука, 2012. 230 с.
5. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. М.: КД «Либроком», 2015. 248 c.

Процессы диффузии, проникновения и переноса вещества в различных средах могут сильно различаться по своей физической природе, но при этом быть описаны одними и теми же математическими моделями. Эти модели, как правило, носят сложный характер и могут включать в себя различные направления математики. Однако во многих случаях могут быть описаны дифференциальными уравнениями в частных производных. Часто такие уравнения сложны и не имеют аналитических решений, и приходится получать решения в частном случае или прибегать к численным методам. Сложность таких уравнений обусловлена процессом диффузии и массообмена в средах, свойства которой могут быть описаны различными моделями, и чем сложнее процесс и среда, тем сложнее уравнения.

Так, например, движение масс вещества в организме происходит за счет биохимических реакций. Важную роль играет движение масс вещества из внеклеточного пространства в клетки и, наоборот, из крови во внеклеточное пространство. Такое перемещение вещества связано с различием концентраций веществ в различных частях организма и движением этих веществ по концентрационному градиенту, что является процессом диффузии. Диффузия в растворе представляет скачки молекул из одного квазиравновесного состояния в другое, на расстоянии порядка 1Å. При этом происходит выравнивание концентраций по всей жидкости [1].

Цель исследования заключается в построении и получении дискретных решений общей системы уравнений, описывающих процесс диффузии и массообмена в различных средах.

Материалы и методы исследования

В работе используются методы численного моделирования систем дифференциальных уравнений, методы научных аналогий и методы теории подобия и размерности. В качестве основы материала исследований для описания процесса диффузии рассмотрим уравнение, связывающей пространственное и временное изменение концентрации (второй закон Фика) [2]:

missing image file, (1)

где С – концентрация вещества в жидкости; x – линейная координата перемещения вещества; D – коэффициент диффузии.

Следует отметить, что уравнение диффузии (1) справедливо при условии закона сохранения вещества в рассматриваемом объеме, при условии, что не происходит никаких химических реакций. Для учета реакций справедливо [2]:

missing image file, (2)

где q – скорость образования (связывания) молекул вещества.

Математическая модель возбуждения нейрона Лазарева имеет следующий вид [3]:

missing image file, (3)

где k – коэффициент диффузии.

С учетом диффузии вещества уравнение (3) запишется в следующем виде:

missing image file, (4)

где m и v – некоторые постоянные; i – сила тока, притягивающая к перегородкам клеток ионы. Формально уравнения (2) и (4) одинаковы и описывают процесс одномерной диффузии вещества (солей, ионов и т.д.) в клетках.

На наш взгляд, принятые модели не вполне точно отражают реалии протекающего процесса в некоторых задачах. Например, если не существует перегородки x2 (рис. 1) и необходимо определить величину (глубину) х, на которую предельно проникают ионы. Необходимо также учитывать: скорость фильтрации; плотность солей; удельный объем солей за мембранной перегородкой, а также его изменение по времени t и расстоянию х.

missing image file

Рис. 1. Схема моделирования одномерной диффузии

Понятия, относящиеся к ионизации (скорость фильтрации, удельный объем солей, плотность), при формализации описываются понятиями скорости диффузии ионов, зарядом за перегородкой x1 и т.д.

Рассмотрим предлагаемые уравнения движения ионов посредством диффузии через мембрану x1 [2]:

missing image file, (5)

где D – коэффициент конвективной диффузии L3t-1; C – концентрация вещества (ионов) в жидкости, ML-3; x – удельный объем вещества (ионов, солей и т.п.) в среде в д. ед.; m0 – проницаемость (в некоторых случаях пористость); v – скорость фильтрации L3t-1; δ – плотность солей, ML-3. Здесь размерности величин даны в виде обозначений величин из теории подобия и размерности.

Левая часть уравнения (5) определяет ускорение изменения концентрации солей по величине перемещения х, с учетом диффузии D и проницаемости m0:

missing image file. (6)

В правой части уравнения приведено выражение скорости изменения концентрации по времени с учетом проницаемости:

missing image file. (7)

В уравнениях (1) и (3), по сути, приравнивают зависимости (6) и (7). На наш взгляд, необходимо учесть, что величина ускорения концентрации С по координате х уменьшается в зависимости от изменения скорости фильтрации v и скорости изменения концентрации по х: missing image file. Кроме того, очевидно, что на ускорение (6) влияет в сторону уменьшения плотность δ и изменение удельного объема ξ по времени. В связи с этим в уравнении (5) учтены в левой части второе и третье слагаемые.

Воспользовавшись первой теоремой подобия, определим соответствие размерностей в правой и левой частях уравнения (5):

missing image file (8)

missing image file (9)

missing image file (10)

missing image file (11)

Все члены уравнения (5) имеют одинаковые размерности, что говорит о его применении для описания различных процессов в средах. При диффузии изменяется (или может изменяться) удельный объем ξ проникающего вещества. Его значение зависит от плотности обобщенного коэффициента ионоотдачи γ и предельной концентрации насыщения ионами Сm.

Скорость изменения ξ по времени описывается уравнением кинетики массопереноса вещества [4]:

missing image file (12)

где k – коэффициент заполнения. Коэффициент k описывает физику ионизации: k = 0 – поверхностная (пленочная) ионизация; missing image file – объемная ионизация (дисперсная).

Таким образом, процесс диффузии и массообмена вещества можно описать системой уравнений:

missing image file (13)

Для решения системы (13) необходимо задать начальные и граничные условия для функций C(x, t) и ξ(x, t). Для функции C(x, t) граничные условия могут принимать вид

missing image file

missing image file (14)

Особенностью первого условия (14) является мгновенное образование зоны постоянной концентрации Со на входной поверхности рассматриваемого участка (х = 0). Второе условие (14) выражает баланс диффузии ионов во входном сечении потока: расход ионов, поступающих в мембраны вследствие фильтрации Соv, равен расходу ионов на поверхности (x = 0), формирующемуся в результате диффузии, фильтрации и пористости. Использование этого условия даёт постепенную ионизацию входного сечения до концентрации Со. Второе условие (14) предпочтительнее первого условия (14). В обоих граничных условиях (14) в конечном участке х = L рассматриваемой области принимается, что скорость диффузии ионов в этом сечении постоянна и поэтому градиент концентрации равен нулю.

Также зададим начальные условия (t = 0) для функций ξ(x,t) и C(x,t):

missing image file (15)

где Cн – концентрация в начальный момент времени вдоль оси x; ξ0 – величина удельного объема в начальный момент времени в области.

Таким образом, постановка задачи следующая: необходимо найти распределение концентрации C(x, t) и удельного объема ξ(x, t) вдоль оси х и во времени. В математической постановке эта задача сводится к решению системы (13) с условиями (14)-(15). Решение системы (13) в аналитическом виде представляет определенные математические трудности.

Для удобства решения введём безразмерную координату и время: missing image file, missing image file, тогда уравнения (13) и условия (14)–(15) можно записать для объемной ионизации (k = 1) в безразмерном виде:

missing image file (16)

где missing image file – критерий Пекле; missing image file – критерий растворения. В новых обозначениях условия (14)-(15) примут вид

missing image file

missing image file (17)

missing image file (18)

Таким образом, решение системы уравнений (13) с условиями (17)-(18) будет зависеть только от двух безразмерных критериев Pe и N, изменяя которые можно получить различные режимы процесса диффузии и изменения удельного объема проникающего вещества. Это позволяет получить решения missing image file и missing image file модельной задачи на отрезке missing image file в безразмерном виде в зависимости от двух критериев Pe и N для различных процессов диффузии, фильтрации и кинетики переноса вещества в различных средах.

Для решения этой задачи был применен численный метод конечных разностей по неявной разностной схеме с использованием метода обратной прогонки. Как известно неявные схемы устойчивы и позволяют получить сходящиеся дискретные решения для любых соотношений шагов по аргументам missing image file и missing image file [5].

Решение уравнений (17)–(18) находится в области R = [0 ≤ missing image file ≤ 1]×[0 ≤ missing image file ≤ T]. В области R была введена равномерная прямоугольная сетка, образованная пересечением линий missing image file и missing image file; величины h, t являются шагами сетки по переменным missing image file и missing image file; missing image file и missing image file – целые части соответствующих дробей. Значения функций в узлах сетки обозначаются missing image file и missing image file.

Конечноразностная схема для системы (16) имеет вид

missing image file (19)

Граничные и начальные условия (17)–(18) имеют вид

missing image file,

missing image file, missing image file; missing image file (20)

На каждом временном слое missing image file первое уравнение аппроксимированной системы (19) представляет собой систему линейных алгебраических уравнений для определения величин missing image file на следующем временном слое; правые части этих уравнений известны, поскольку содержат значения решения с предыдущего временного слоя. Решение системы линейных уравнений для определения missing image file осуществляется методом обратной прогонки [5]. После определения missing image file определяется missing image file по второму уравнению системы (19). Таким образом, определяются значения концентрации диффузора missing image file и удельного объема вещества missing image file в дискретном виде для каждой точки по длине оси missing image file в течение времени missing image file.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 2 приведена зависимость распределения концентрации missing image file ионов во времени при различных значениях Pe и N в серединном сечении области missing image file. Из распределения концентраций на рис. 2 видно, что при возрастании критерия Пекле и средних значениях критерия растворения концентрация ионов в фильтрующейся плазме сравнительно быстро достигает предельной концентрации насыщения Сm за счет увеличения скорости фильтрации и достаточно большого значения коэффициента ионоотдачи g. При малых значениях критерия Пекле и критерия растворения процесс растворения протекает значительно медленнее и концентрация убывает до величины С0 за счет того, что на входном сечении грунта происходит постепенное опреснение до величины С0 (вторые граничные условия (17)).

missing image file

Рис. 2. Изменение концентрации диффузора ионов во времени

missing image file

Рис. 3. Изменение удельного объема вещества среды во времени

На рис. 3 показана зависимость распределения удельного объёма missing image file от времени также при различных значениях Pe и N в серединном сечении области missing image file.

Из распределения удельного объема на рис. 3 видно, что при больших и малых числах Пекле, через определенное время, содержание удельного объема переносимого вещества в среде становится постоянным, что свидетельствует о насыщении ионами фильтрующейся среды до своего предельного значения Cm (или установлении фильтрата) и процесс изменения удельного объема x вещества из среды прекращается.

Заключение

Полученные решения для С и x системы универсальных дифференциальных уравнений в частных производных (16) с условиями (17)–(18) позволяют смоделировать процесс диффузии и массопереноса веществ в различных средах. За счет своей универсальности система по аналогии может описывать различные с физической точки зрения процессы диффузии и изменения удельного объема вещества в различных средах. Это позволяет использовать результаты решения при описании химических процессов, биохимических реакций в организмах, фильтраций жидкостей в средах, такие как грунты, почвы, атмосфера, дисперсные среды и т.п.


Библиографическая ссылка

Ганюков A.A., Кадырова И.A., Кадыров A.С., Маратов Д.Д. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИИ И КИНЕТИКИ МАССОПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2021. – № 4. – С. 86-91;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13208 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674