Отчет ИВМ СО РАН за 1996 годПрограммы фундаментальных исследований СО РАН
Программа 5. Математическое моделирование,информационные технологии и вычислительная техникаТема 8. «Математическое моделирование движений жидкости с поверхностями раздела, гидротермических процессов». Этап 1996 года:
Изучена общая задача о малых возмущениях нестационарных движений двух несмешивающихся несжимаемых теплопроводных вязких жидкостей с поверхностью раздела в модели Обербека-Буссинеска. На основе полученных уравнений исследована устойчивость двухслойного термокапиллярного течения жидкости. Найдены декременты затухания в зависимости от физических параметров задачи (Андреев В. К.). Исследовано влияние эффекта Соре на возникновение термокапиллярного движения в плоском слое жидкости. Выведены уравнения малых возмущений, которые в случае стационарных возмущений имеют аналитическое решение. На основе полученного решения проведен анализ влияния основных параметров задачи (чисел Вебера, Прандтля, Вио, Левига и т.д.) на возникновение стационарных движений (Рябицкий Е. А.). Проводилось изучение слабонелинейной устойчивости и вторичных режимов в различных течениях тонких пленочных слоев вязкой жидкости. Задачи данного класса могут найти применение для интенсификации процессов переноса в тепло- и массообменных аппаратах, основными конструктивными элементами которых часто являются пленочные течения. Было рассмотрено влияние на динамику некоторых термокапиллярных эффектов, а также эффектов постоянного электрического поля. Показано, что при учете определенных термокапиллярных эффектов динамика пленочного слоя в длинноволновом приближении описывается уравнением типа Кортевега-де Фриза-Курамото-Сивашинского (КдФ--КС); есть основания полагать, что рассмотренный термокапиллярный механизм может быть использован как внутрисистемный регуляризующий фактор. Были проведены численные исследования аттракторов и бифуркаций периодических режимов, описываемых уравнением КдФ--КС в диапазоне параметров, соответствующем слабой надкритичности. Обнаружены разнообразные аттракторы и переходы между ними, например, инвариантный тор $ o$ хаос $ o$ регулярные пульсации $ o$ предельный цикл. (Андреев В. К., Захватаев В. Е.). Продолжилось наполнение компьютерной системы оценки гидрофизических параметров, необходимой для эффективного решения водно-экологических задач. Разработаны основные программные модули информационно-прог»нос»ти»чес»кой системы гидрофизического состояния Ангаро-Ени»сей»ско»го бассейна: база данных морфометрических характеристик рек Енисей, Нижняя Ангара, Нижняя Тунгуска; база метеоданных для ряда метеостанций Красноярского края; модуль для оценки гидрофизических параметров в слабопроточном водоеме большой протяженности; модуль для расчетов гидротермического и ледового режимов рек в нижних бьефах ГЭС; модуль обработки данных — представление результатов в виде графиков и таблиц на экране компьютера или вывод на печать. Для моделирования движения жидкости в бассейнах сложной конфигурации применялись двумерные (в плане) уравнения мелкой воды (линейная, нелинейная, нелинейно-дисперсионные модели) с учетом сил придонного трения и ветровых напряжений. Для аппроксимации уравнений двумерной мелкой воды были использованы схемы Мак-Кор»ма»ка (модель нелинейной мелкой воды) и явные схемы с пересчетом (линейная, нелинейная, нелинейно-дисперсионная модели). Ввод батиметрии и интерполяция значений глубины на заданную (регулярную) сетку осуществлялись автоматически с использованием сканера, графических программ и электронных таблиц Excel. В одномерном случае выявлена структура вертикальной скорости на поверхности жидкости (нелинейно-дисперсионная модель Пелиновского-Железняка) для решений типа движущейся уединенной волны и ветровых волн; проведено сравнение расчетных значений и точных решений уравнений нелинейной мелкой воды с учетом сил придонного трения и ветровых напряжений (точные решения построены Капцовым О. В.) при явной и неявной аппроксимации члена, отвечающего за придонное трение (схема с пересчетом); выявлена зависимость величины заплеска на твердую стенку от расстояния между вертикальной стенкой и начальным положением уединенной волны (модель нелинейной мелкой воды, схема Мак-Кормака). В двумерном случае проведено исследование влияние выбора разностной схемы для аппроксимации уравнения примеси на качество получаемого решения (модели линейная, нелинейной мелкой воды, нелинейно-дисперсионные, разностная схема с пересчетом). Результаты расчетов представлены в виде таблиц, рисунков одномерных и двумерных поверхностей (Белолипецкий В. М., Генова С. Н., Компаниец Л. А.). В плоской постановке численно смоделирован известный гидродинамический эффект удержания легкого шара тонкой вертикальной струей жидкости. Нелинейная нестационарная задача обтекания незакрепленного цилиндра струей невязкой несжимаемой жидкости в поле силы тяжести решена впервые, с помощью нового свободно-лагранжевого метода частиц (Франк А. М.). :
Тема 9. «Математическое моделирование управляющих воздействий резонансных лазерных полей на атомы и ионы с целью создания плазменных и газовых состояний с заданными физическими свойствами» Этап 1996 года:
Впервые рассмотрена задача о лазерном охлаждении. Построена модель плазмы, ионы которой охлаждаются квазирезонансным лазерным излучением. На основе модели показана возможность получения в условиях магнито- оптической ловушки сильнонеравновесной и неидеальной разреженной плазмы. Также показано, что в этих условиях комбинация лазерного охлаждения ионов и СВЧ нагрев электронов позволяет эффективно управлять температурами частиц. :
Тема 10. «Построение математической модели магнитопаузы и плазменного слоя магнитосферы Земли с учетом неустойчивостей диссипативных процессов». Этап 1996 года:
Выполнено исследование конфигурации магнитного поля магнитосферы на основе разработанной математической модели магнитосферы с диффузионной границей. (Китаев А. В.) Разработана математическая модель и выполнено численное исследование обтекания солнечным ветром неосесимметричных магнитосфер Юпитера и Сатурна. Выявлены МГД эффекты, обусловленные асимметрией обтекаемой поверхности. (Еркаев Н. В.) Дано новое, более общее обоснование энергетического метода для основных краевых задач для трехмерных эллиптических уравнений с несимметричными тензорными коэффициентами. (Денисенко В. В.) :
Тема 11 «Разработка теоретических основ газодинамического конструирования». Этап 1996 года:
Проведено исследование этапов конструирования технологии математического моделирования обтекания многомерных конфигураций из решений меньшей размерности. Определен базовый алгоритм конструирования и основные процедуры наложения и дополнения. Результаты представляют собой новые достижения в этой технологии математического моделирования и не имеют аналогов в мировой практике (В. А. Щепановский). Выведены уравнения, описывающие вязкое течение в пограничном слое на трехмерных поверхностях, построенных по технологии газодинамического конструирования. Разработана методика построения решения высокой точности на основе информации частных решений. Методика применяется к расчету вязкого сопротивления треугольных крыльев и гиперзвуковых конфигураций — waveriders. Разработанная методика позволяет вводить учет локальных особенностей с высокой точностью расчета. Впервые исследовано влияние локальных особенностей на интегральные характеристики крыльев. В проблеме взаимодействия ударного и пограничного слоев в гиперзвуковом диапазоне скоростей получены новые результаты качественного характера. Впервые в мировой практике показано, что при больших сверхзвуковых скоростях зависимость взаимодействия пограничного и ударного слоев может менять свою тенденцию на противоположную (Г. И. Щепановская). Даны новые аппроксимационные формулировки нелинейных моделей анализа деформаций тонких тел. Они получены из новой инвариантной формулировки нелинейной модели Коши для трехмерного тела с явным выделением локальных поворотов. В основу построения двумерной модели деформации оболочкообразного тела заложено допущение о жестко вращающихся поперечных волокнах. Три поступательные и две вращательные степени свободы волокна составляют систему пяти первичных кинематических неизвестных двумерной модели. (Исходная модель Коши исключает независимый поворот волокна относительного самого себя). Для одномерной модели деформации стрежнеобразного тела основополагающим принято допущение о жестко вращающихся поперечных сечениях. Три поступательные и три вращательные степени свободы сечения составляют систему шести первичных кинематических неизвестных одномерной модели. Единообразие исходных аппроксимаций обеспечивает унифицированную инвариантную форму представления нелинейных моделей деформации оболочко- и стержнеобразных тел. Явное выделение локальных поворотов отождествляет кинематику тонкого тела с кинематикой тела Коссера и дает необходимые условия для сравнительного анализа аксиоматических и аппроксимационных моделей в нелинейных формулировках (Л. И. Шкутин). Для воздухозаборников с компактным горлом, построенных по технологии газодинамического конструирования определена мера компактности и написана программа расчета (С. В. Глинский). :
Тема 12. «Разработка вычислительных методов для решения упругопластических контактных задач». Этап 1996 года:
На основе формулировки граничных условий контактного взаимодействия деформируемых тел с учетом трения Кулона в виде квазивариационного неравенства предложен новый алгоритм численного решения динамических контактных задач, обладающий вычислительной устойчивостью и гарантирующий выполнение геометрических ограничений в заранее неизвестной зоне контакта, условия неотрицательности нормального давления и противоположную направленность векторов касательной скорости и касательного напряжения при проскальзывании. Проведено тестирование алгоритма в задаче об отражении упругого слоя от жесткой плоскости. Выполнены расчеты, моделирующие обработку упругопластического образца шероховатыми цилиндрическими инструментами. Для модели динамического деформирования упругопластической среды с линейным упрочнением, записанной в виде гиперболического вариационного неравенства, исследованы вопросы построения обобщенных решений, содержащих разрывы скоростей, напряжений и параметров упрочнения (упругопластические ударные волны). Проведена классификация допустимых разрывов в изотропных средах, подчиняющихся условиям пластичности Мизеса и Треска — Сен — Венана. Построены разностные схемы решения пространственных задач динамики упругих тел, которые наряду с высокой точностью, лишены недостатков, связанных с наличием у численного решения нефизических эффектов. :
Тема 13. «Разработка методов анализа и синтеза систем оптимального управления объектами с распределенными параметрами. Этап 1996 года:
Сформулирована и решена задача моделирования и оптимального управления процессами с рециркуляцией взаимодействующих потоков. На основе метода декомпозиции решены вопросы корректности краевых задач. Разработаны алгоритмы и программы расчета нестационарных режимов и применены для проектирования систем автоматического регулирования промышленными установками химической технологии. Подготовлена к печати монография Н. Д. Демиденко «Моделирование и оптимизация систем с распределенными параметрами». :
Тема 14. «Разработка и исследование методов решения обратных задач геофизики». Этап 1996 года:
Разработаны и исследованы методы решения этой задачи в спектральной области. Удалось показать, что задачу можно решать с удовлетворительной точностью при больших уровнях регулярных и нерегулярных помех в матрице системы уравнений. Разработаны процедуры, повышающие помехоустойчивость получаемых решений. Методы проверены на реальных задачах с переизбыточными системами с числом уравнений до 8000 и числом неизвестных до 2000. Пpедложен метод pешения задачи восстановления пpостpанственного положения непpеpывно излучающего источника колебаний. Метод основан на pешении по сейсмическим данным, заpегистpиpованным на свободной повеpхности, двух обpатных задач: постpоения эффективной модели одноpодной анизотpопной сpеды, пpи заданном положении источника; и тpассиpования пpостpанственного положения источника в pамках этой эффективной модели. Pазpаботаны алгоpитмы pешения, пpоведено численное моделиpование. :
Тема 15. «Методы построения и анализа динамических моделей неравновесных физико-химических систем». Этап 1996 года:
На основе метода инвариантного многообразия предложена процедура упрощения кинетического описания как для закрытых, так и для открытых химических систем. Предлагаемые подходы сокращения описания базируются на разделении движений на быстрые и медленные. Методы, алгоритмы и программы реализованы для ряда типовых схем превращений. Проведен параметрический анализ кинетических моделей, учитывающих изменение числа активных мест на поверхности катализатора и интенсивности диффузионного обмена между центрами различной природы. В пространстве параметров выделены области множественности стационарных состояний и автоколебаний. Развиты численные методы и программные средства решения задач аэродинамики реагирующих течений в областях сложной конфигурации. Основным достижением является разработанная адаптация идей теории Колмого»ро»ва-Арнольда-Мозера (КАМ) к диссипативным системам. Основные положения подхода состоят в следующем: А). Для заданного многообразия (например, многообразия образованного локально-равновесными распределениями или распределениями Тамма -Мотт-Смита) определяется индуцированная (макроскопическая) динамика посредством универсального принципа двойственности. Этот принцип позволяет однозначно определить проекцию векторного поля исходного уравнения на касательные пространства в каждой точке многообразия. В формулировке принципа участвует лишь функция Ляпунова исходного уравнения, а не его векторное поле. Б). Условие инвариантности рассматривается как уравнение, которое следует решать итерациями ньютоновского типа. Дополнительная новизна состоит в выборе правильной линеаризации ньютоновского типа, учитывающей принцип Онсагера (самосопряженная линеаризация). Найдена первая поправка к многообразию локально-равновесных распределений в одномерном случае. Она дает новые нелокальные и нелинейные уравнения гидродинамики во всем интервале числа Кнудсена. Полученные уравнения позволяют описывать эффекты далеко за рамками приближения Навье-Стокса (например, ультра-коротковолновую акустику и зависимость вязкости от сжатия потока). Есть основания предполагать что вся специфика высоко неравновесной гидродинамики асимптотически полно учитывается уже в первой поправке, тогда как дальнейшие поправки дают «в основном» изменение численных коэффициентов. Принцип двойственности позволил решить классический вопрос о выводе индуцированной динамики для приближения Тамма-Мотт-Смита. Впервые получено уравнение для поправки к приближению Тамма-Мотт-Смита. Также разработан общий метод построения моделей уравнения Больцмана, окончательно решивший вопрос о согласовании модельных уравнений с H-теоремой. Проведен анализ конкретных систем каталитической кинетики, построены явные выражения для поиска инвариантных многообразий модельных систем. :
Тема 16. «Алгоритмы и программы нейросетевой обработки данных.» Этап 1996 года:
Разработаны алгоритмы обучения монотонных сетей. С помощью оригинального нейросетевого программного обеспечения проведен анализ базы данных по осложнениям инфаркта миокарда в Красноярском крае. Выделены характеристики, наиболее значимые для прогнозирования осложнений. Разработан новый класс искусственных нейронных сетей для построения систем ассоциативной памяти, отличающийся тем, что с целью повышения информационной емкости сети используется переход к тензорной степени исходного пространства сигналов, а для снижения числа ложных образов («химер») применяются ортогональные проекторы в пространстве тензоров. Тестовое сравнение с известными нейросетевыми системами ассоциативной памяти показало увеличение емкости памяти на несколько порядков и подавление большинства ложных образов при сравнительно небольшом увеличении вычислительных затрат. :
Тема 17. «Разработка алгоритмических и программных средств для интегрированного использования экспертных систем, баз данных и картографических систем». Этап 1996 года:
Исследованы проблемы построения экспертных геоинформационных систем. Разработаны средства создания и применения картографических баз данных в интегрированной программной среде. Разработана оболочка экспертной системы для решения задач управления в интегрированных программных системах в среде Windows. :
Тема 18. «Разработка распределенной информационно-прогностической системы экологических служб промышленного города. Этап 1996 года:
Разработана оболочка комплекса программ «Нептун-2» для расчетов переноса-диффузии примеси в реке. Реализация оболочки на Delphi содержит картографическую базу данных. (Замай С. С., Яницкий В. А.) Разработаны инфологическая и датологическая модели для АРМ отдела охраны окружающей среды завода «Бирюса», создана БД. (Ковязин С. А.) На основе модели МАГАТЭ создан тренажер оперативного дежурного штаба ГК ЧС, который проходит опытную эксплуатацию в краевом штабе по делам ГО и ЧС. (Замай С. С., Елгин Б. А.) Разработана технология создания Картографического интерфейса для распределенной информационно-прогностической системы природоохранных служб. Использован DDE интерфейс, в основу ГИС положен программный комплекс MapInfo, оболочка и расчетные блоки выполнены на языке Delphi, для инженерных расчетов использован Exel, для подготовки документов WinWord. (Замай С. С., Якубайлик О. Э., Яницкий В. А.) Совместно с НПО «Вектор» с помощью обдува модели рельефа местности в аэродинамической трубе исследовались коэффициенты атмосферной турбулентной диффузии в окрестности Красноярска. Установлена сильная зависимость коэффициентов диффузии от направления ветра относительно долины Енисея. (Денисенко В. В., Бакиров Т. С., Фролов А. С.) :
Тема 19. «Создание теории многоуровневых непараметрических систем принятия решений» . Этап 1996 года:
Разработаны новые стохастические аппроксимации нестационарных временных зависимостей, основанные на построении последовательности простых параметрических моделей относительно системы опорных точек с последующим их непараметрическим сглаживанием. Определены асимптотические свойства предлагаемых моделей и условия их преимущества по сравнению с методами локальной аппроксимации при обработке малых и больших объемов обучающих выборок. :
|
Webmaster |