Отчет ИВМ СО РАН за 2003 год

Важнейшие научные достижения 2003 года

• Важнейшие научные достижения 2003 года
• Модель реального вычислительного процесса на кластерах со сверхлинейным ускорением
• Численное моделирование трехмерных регулярных структур в стекающей пленке жидкости
• Технологии получения поверхностного износостойкого слоя на поверхности литых изделий с использованием нанопорошков
• Нормирование дефектов формы и ресурса вертикальныхстальных резервуаров
• Разработка нейросетевых методов сокращения описания сложных кинетических систем (метод инвариантных сеток)
• Разработка нейросетевых методов визуализации генетических текстов

Номер научного направления ОИТВС: 2

Авторы научного результата:
Шайдуров В. В., директор, член-корреспондент РАН;
Исаев С. В., зав. лаб., к.т.н.;
Малышев А. В., инж.-программист.
Тел.: 43–27–56, e-mail

Аннотация

Для ряда вычислительных фрагментов решения сеточных аналогов задач математической физики при некоторых условиях обнаружено, а затем обосновано сверхлинейное ускорение вычислений на вычислительных кластерах, т.е. увеличение скорости вычислений на n процессорах более чем в n раз по сравнению с одним процессором несмотря на дополнительные операции межпроцессорного обмена данными. Причиной сверхлинейного ускорения является увеличение в n раз суммарного объема кэша всех используемых процессоров и, как следствие, более интенсивный обмен данными с кэшем, а не с оперативной памятью, что в несколько раз медленнее. Прямое подтверждение этой гипотезы получено ликвидацией эффекта сверхлинейного ускорения при отключении кэша у процессоров. Создана и экспериментально подтверждена модель вычислительного процесса с учетом n-кратного увеличения кэша, в явном виде указывающая условия достижения сверхлинейного ускорения вычислений при различных соотношениях числа процессоров и скоростей вычислений и межпроцессорных обменов.

:

1. Малышев А. В., Шайдуров В. В.
   Параллельные вычисления на кластерах из персональных ЭВМ // Вычислительные технологии. — 2001. — Т. 6. — (Спец. выпуск. — Ч. 2.) — С. 287–293.

2. Малышев А. В.
   Некоторые аспекты моделирования параллельных и кластерных вычислений // Материалы I школы-семинара «Распределенные и кластерные вычисления». — Красноярск: ИВМ СО РАН, 2001. — С. 118–123.

3. Малышев А. В., Шайдуров В. В.
   Блочная реализация явной разностной схемы на кластере MBC-1000/16 // Материалы II школы-семинара «Распределенные и кластерные вычисления». — Красноярск: ИВМ СО РАН, 2002. — С. 176–187.

4. Kireev I. V., Shaidurov V. V., Rude U.
   Completely splitting method for the Navier-Stokes problem // Вычислительные технологии. — 2003. — Т. 8. — № 8. — (Спец. выпуск. — Ч. 1.) — С. 44-65.

Номер научного направления ОИТВС: 2

Автор научного результата:
Франк А. М., зав. лабораторией, д.ф.-м.н., профессор.
Тел.: 49–51–71, e-mail

Аннотация

Впервые получено теоретическое описание формирования регулярных структур (рис. 1) в локально нагреваемой стекающей жидкой пленке, недавно обнаруженных в экспериментах О. Кабова и др. (ИТ СО РАН). Использовался оригинальный метод частиц для несжимаемой жидкости, распространенный на случай вязкой теплопроводной жидкости с переменным поверхностным натяжением. Проведено численное моделирование конкретного эксперимента (О. Кабов и др., МЖГ, 2001, № 3). Сравнение результатов показало хорошее качественное и количественное согласие. В частности, пороговое значение плотности теплового потока, при котором возникает трехмерная неустойчивость, предсказывается расчетами с точностью до 5 %. Рассчитанные значения характерной ширины структур согласуются с экспериментом в пределах точности измерений. Расчеты также воспроизводят более тонкие эффекты, такие как увеличение ширины структуры и ее сдвиг вверх по потоку с увеличением нагрева.

Рис. 1. Регулярная структура в стекающей жидкой пленке

:

1. Франк А. М.
   Дискретные модели несжимаемой жидкости. — М.: Физматлит, 2001. — 208 c.

2. Frank A. M.
   3D numerical simulation of regular structure formation in a locally heated falling film // Europ. J. Mech. B/Fluids. — 2003. — Vol. 22. — P. 445–471.

3. Frank A. M.
   3D numerical study of regular structures in locally heated falling film // Abstr. of the 5th Europ. Fluid Mech. conf. — Toulouse, France, 2003. — Р. 119.

Номер научного направления ОИТВС: 2

Автор научного результата:
Крушенко Г. Г., гл. н. с., д.т.н., профессор.
Тел.: 49–47–68, e-mail

Аннотация

Сущность разработанного способа заключается в том, что в месте формирования изнашиваемой поверхности подготовленной к заливке литейной формы устанавливается специальная вставка, изготовленная из наплавочных порошков. В процессе заливки металла в форму происходит расплавление вставки с образованием в процессе кристаллизации на поверхности затвердевшей отливки легированного слоя толщиной до 5 мм. В результате введения в легирующую композицию нанопорошка (НП) TiCN твердость легированного слоя повысилась по сравнению с композицией без НП с 32,5 до 44,5 ед. HRC (на 36,9 %), а микротвердость твердого раствора легированного слоя повысилась с 2750 до 3900 МПа (на 41,8 %). Контрольные испытания показали, что относительная износостойкость легированного слоя при введении НП возросла на 45,8 % по сравнению со слоем, сформировавшимся из композиции, без добавления НП. Разработанная технология была использована для упрочнения тонкостенных отливок без дополнительных источников тепла с получением качественной литой поверхности за счет создания направленной кристаллизации отливки путем оптимизации соотношения толщины слоя легирующей композиции и толщины стенки отливки.

:

1. Крушенко Г. Г., Талдыкин Ю. А., Зеер Г. М.
   Упрочнение поверхности металлоизделий порошковыми материалами // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 2001. — № 4. — С. 76-79.

2. Крушенко Г. Г.
   Применение нанопорошков химических соединений для улучшения качества металлоизделий // Технология машиностроения. — 2002. — № 3. — С. 3-6.

3. Черепанов А. Н., Крушенко Г. Г., Полубояров В. А., Кузнецов А. Н.
   Результаты опытно-промышленных исследований по применению нанопорошковых материалов для повышения качества литого металла // Сб. статей «Актуальные научно-технические проблемы алюминиевой промышленности России». — М.: РАН. — 2002. — С. 228–240.

4. Черепанов А. Н., Крушенко Г. Г., Полубояров В. А.
   Влияние нанопорошковых тугоплавких материалов на свойства литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов // Наука — производству. — 2003. — № 4. — С. 9-36.

5. Черепанов А. Н., Крушенко Г. Г., Полубояров В. А., Кузнецов А. Н.
   Результаты опытно-промышленных исследований повышения свойств черных и цветных металлов с помощью тугоплавких нанопорошковых материалов // Известия вузов. Черная металлургия. — 2003. — № 4. — С. 23-29.

Номер научного направления ОИТВС: 2

Авторы научного результата:
Москвичев В. В., зам. директора по науке, д.т.н., профессор;
Лепихин А. М., в.н.с., д.т.н.;
Алифанов Л. А., аспирант.
Тел.: 49–48–04, e-mail

Аннотация

Проведены комплексные исследования работоспособности вертикальных стальных резервуаров для хранения нефтепродуктов объемом 500–20000 м3 с дефектами формы типа «вмятин». На основе данных технического диагностирования установлены статистические закономерности распределений дефектов формы по геометрическим параметрам. На основе численного анализа методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния в линейной, геометрически нелинейной и физически нелинейной постановке выявлены основные закономерности перераспределения напряжений и деформаций в зонах дефектов при нагружении резервуаров. Обнаружен эффект скачкообразного изменения формы вмятин в процессе нагружения резервуара.

Установлена зависимость коэффициентов концентрации напряжений в упругой области от относительной глубины и приведенного радиуса дефекта. Для области упругопластического деформирования при расчетах коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в зонах дефектов предложены аналитические соотношения типа уравнений Нейбера-Махутова. Выявлено, что для статистически обоснованных размеров дефектов коэффициенты концентрации напряжений варьируются в диапазоне от 2.5 до 12, а коэффициенты концентрации деформаций — в диапазоне от 2 до 10.

Выявлено наличие резервов долговечности эксплуатирующихся резервуаров с дефектами формы. С учетом этого предложена методика нормирования размеров дефектов по условию обеспечения требуемого безопасного остаточного ресурса резервуаров.

:

1. Алифанов А. А., Анискович Е. В., Лепихин А. М., Тридворнов А. В.
   Нормирование дефектов формы вертикальных цилиндрических резервуаров // Вычислительные технологии. — 2003. — Т. 8. — Региональный вестник Востока. — 2003. — № 3. — (Совм. выпуск. — Ч. 1.) — С. 9-15.

2. Алифанов Л. А.
   Ресурс вертикальных цилиндрических резервуаров с локальными дефектами формы // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов». — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. — Ч. 1. — С. 145–146.

3. Алифанов Л. А., Лепихин А. М., Москвичев В. В., Романенко К.
   Обоснование допусков на глубину вмятин на стенках вертикальных стальных резервуаров // Тр. науч. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». — Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003. — T. 2. — С. 11-19.

Номер научного направления ОИТВС: 4

Авторы научного результата:
Горбань А. Н., зав. отделом, д.ф.-м.н., профессор;
Карлин И. В., с.н.с., к.ф.-м.н.;
Зиновьев А. Ю., н.с., к.т.н.
Тел.: 49–47–69, e-mail

Аннотация

Построен метод инвариантных сеток для выделения существенных степеней свободы и сокращения описания кинетических систем. Строящиеся сетки предоставляют пользователю аппроксимации инвариантных многообразий. Метод является развитием и трансформацией идей «растущего нейронного газа». Он применялся к сокращению описания в каталитических реакциях и в реакциях газофазного окисления. Основная часть вычислений проводится для каждого узла отдельно (связи появляются только при построении касательных пространств). Это обеспечивает параллельность созданных алгоритмов. Построенные сетки могут применяться для сокращения описания кинетических моделей, а также служить экраном при визуализации.

Рис. 1. Линии уровня концентрации кислорода

Рис. 2. Линии уровня производства энтропии

Приведен пример двумерной инвариантной сетки, построенной для модельной системы, упрощенно описывающей процесс горения водорода. Сетка представлена во внутренних координатах и используется как экран для визуализации динамики системы. Координатные оси соответствуют двум наибольшим временам релаксации (координаты даны в энтропийных единицах); в точке (0, 0) отмечено положение равновесия.

:

1. Gorban A. N., Karlin I. V.
   Method of invariant manifold for chemical kinetics // Chem. Eng. Sci. — 2003. — Vol. 58. — P. 4751–4768.

2. Gorban A. N., Karlin I. V., Zinovyev A.
   Invariant grids for reaction kinetics // Doi: 10.1016/j.physa.2003.10.043

Номер научного направления ОИВТА: 4

Авторы научного результата:
Горбань А. Н., зав. отделом, д.ф.-м.н., профессор;
Зиновьев А. Ю., н.с., к.т.н.;
Попова Т. Г., н.с., к.ф.-м.н.
Тел.: 49–47–69, e-mail

Аннотация

На основании технологии визуализации многомерных данных получена информационная модель распределения участков генома в пространстве частот непересекающихся триплетов. Структура распределения отражает факт наличия в кодирующих областях выделенной кодирующей фазы.

Проанализирована кластерная структура распределения фрагментов генома ряда прокариот в пространстве частот триплетов. Выделена базовая структура из 7 кластеров, характерная для генома прокариот. Центральный кластер соответствует некодирующим участкам генома, шесть боковых кластеров — белок кодирующим участкам, по три на каждую из комплементарных цепочек ДНК. Показано, что именно наличие данной кластерной структуры лежит в основе успешной работы большинства современных алгоритмов распознавания кодирующих участков. Проведен анализ тонкой структуры кластеров, соответствующих кодирующим участкам ДНК. Выделенные кластеры тонкой структуры связаны с функциональными особенностями кодируемых протеинов.

Рис. 1. Визуализация распределения фрагментов генома C.cerevisiae

Рис. 2. Структура из семи кластеров: кластер J соответствует некодирующим участкам генома (junk), кластеры P0, P1, P2 и C0, C1, C2 соответствуют белок кодирующим участкам, расположенным на основной (Р) и комплементарной (С) цепочке ДНК; индексы 0, 1 и 2 соответствуют сдвигу рамки считывания относительно стартового нуклеотида в кодирующем участке.

:

1. Gorban A. N., Zinovyev A. Yu., Popova T. G.
   Seven clusters in genomic triplet distributions // In Silico Biology. — 2003. — Vol. 3. — 0039. .

2. Gorban A. N., Popova T. G., Zinovyev A. Y.
   Self-Organizing Approach for Automated Gene Identification // Open Sys. Information Dyn. — 2003. — Vol. 10. — P. 1-13.

3. Carbone A., Zinovyev A., Kepes F.
   Codon Adaptation Index as a measure of dominating codon bias // Bioinformatics. — 2003. — Vol. 19. — № 13. — P. 2005–2015.