Computational modelling of metal-electrolyte reactions is central to the understanding and prediction of a wide range of physical phenomena, yet this is often challenging owing to the presence of numerical oscillations that arise due to dissimilar reaction rates. The ingress of hydrogen into metals is a paradigmatic example of a technologically-relevant phenomenon whose simulation is compromised by the stiffness of the reaction terms, as reaction rates vary over orders of magnitude and this significantly limits the time increment size. In this work, we present a lumped integration scheme for electro-chemical interface reactions that does not suffer from numerical oscillations. The scheme integrates the reactions in a consistent manner, while it also decouples neighbouring nodes and allows for larger time increments to be used without oscillations or convergence issues. The stability and potential of our scheme is demonstrated by simulating hydrogen ingress over a wide range of reaction rate constants and environmental conditions. While previous hydrogen uptake predictions were limited to time scales of minutes, the present lumped integration scheme enables conducting simulations over tens of years, allowing us to reach steady state conditions and quantify hydrogen ingress for time scales relevant to practical applications.


翻译:金属-电子化反应的计算模型对于理解和预测一系列广泛的物理现象至关重要,但由于不同反应率造成的数字振动,这往往具有挑战性。氢进入金属是一个技术相关现象的典型例子,其模拟因反应条件的僵硬而受到损害,因为反应率因规模不同而异,这大大限制了时间递增规模。在这项工作中,我们为电子-化学界面反应提出了一个不因数字振动而受到影响的包罗式集成计划。这个计划以一致的方式综合了这些反应,同时它也分解了相邻的节点,允许在没有振动或趋同问题的情况下使用更长的时间递增。我们计划的稳定性和潜力表现在刺激氢在一系列反应率常数和环境条件下的反射。以前的氢吸收预测限于几分钟的时序,而目前的包装集成计划能够进行数十年的模拟,使我们能够达到稳定的状态,并在与实际应用相关的时间尺度上量化氢的反射量。

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