Отчет ИВМ СО РАН за 2020 годВведениеИнститут создан 1 января 1975 года как Вычислительный центр Сибирского отделения АН СССР в г. Красноярске (ВЦК СО АН СССР) постановлением Президиума СО АН СССР № 33 от 17.01.1975 г. во исполнение постановлений Президиума АН СССР № 423 от 16.05.1974 г. и коллегии Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике № 65 от 19.11.1974 г. Инициатором создания Института и его директором-организатором был Председатель СО АН СССР академик Г. И. Марчук, а первыми директорами — член-корреспондент РАН В. Г. Дулов (19 В соответствии с постановлением Президиума РАН № 274 от 18.12.2007 г. «О переименовании организаций, подведомственных Российской академии наук» Институт переименован в Учреждение Российской академии наук Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН. В соответствии с постановлением Президиума РАН № 262 от 13.12.2011 г. «Об изменении типа учреждений, подведомственных Российской академии наук, и их переименовании» Институт изменил тип учреждения и переименован в Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук. В соответствии с приказом Федерального агентства научных организаций № 73 от 21.02.2016 г. «О реорганизации Федерального государственного бюджетного учреждения науки Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук» Институт был реорганизован в форме присоединения к Федеральному государственному бюджетному учреждению науки Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук. В настоящее время, в соответствии с действующим «Положением об Институте вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук — обособленном подразделении ФИЦ КНЦ СО РАН», утвержденным директором ФИЦ КНЦ СО РАН Н. В. Волковым от 15.10.2018 г. (далее Положение) Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН является обособленным подразделением Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (далее Центра). Институт в своей деятельности руководствуется Гражданским кодексом РФ, другими правовыми актами, Уставом Центра, Положением и иными локальными правовыми актами Центра. Институт осуществляет свою деятельность по согласованию с Центром, во взаимодействии с краевыми и федеральными органами исполнительной власти, органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органами местного самоуправления, Федеральным государственным бюджетным учреждением «Российская академия наук» (далее РАН), государственными и общественными объединениями, профессиональными организациями, иными юридическими и физическими лицами. Институт является подразделением Центра, территориально обособленным от него, и осуществляющее часть функций Центра, указанных в настоящем Положении. Институт не является юридическим лицом, действует от имени Центра на основании утвержденного Директором Центра Положения. Институт ведет самостоятельный баланс в структуре сводного баланса Центра, имеет лицевые счета в территориальных органах Федерального казначейства. Институт имеет печать со своим наименованием, указанием на принадлежность к Центру, иные необходимые для его деятельности печати, штампы, бланки, символику, зарегистрированные в установленном порядке. Официальные наименования Института на русском языке (с 01.08.2016 г.):
Место нахождения Института — 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50, стр. 44. По постановлению Президиума РАН № 291 от 25.12.2007 г. Институт структурно относится к Отделению нанотехнологий и информационных технологий РАН (секция информационных технологий и автоматизации). По постановлению Президиума СО РАН № 571 от 06.11.2008 г. Институт работает под научно-методическим руководством Объединенного ученого совета по нанотехнологиям и информационным технологиям СО РАН. Институт осуществляет следующие основные виды деятельности Центра:
В каждом из этих трех направлений сотрудникам Института принадлежит ряд значительных достижений. В 2020 году под руководством директора Института В. М. Садовского завершен четырехлетний проект из государственного задания Института. Проект направлен на создание эффективных методов численной реализации сложных математических моделей природных и технологических процессов с применением высокопроизводительных ЭВМ (суперкомпьютеров). В ходе работы над проектом построены математические модели динамики многослойных тонкостенных конструкций из микрополярных материалов. Для учета слоистой структуры использовался подход, согласно которому кинематические гипотезы применяются для каждого слоя в отдельности, что позволяет рассматривать неоднородные по толщине слои пластин и оболочек, учитывать их расслоение, контактное взаимодействие после расслоения и частичное разрушение. Переход от трехмерных уравнений микрополярной среды к двумерным уравнениям в каждом слое основан на линейной по толщине аппроксимации скоростей поступательного и вращательного движения. Системы уравнений приведены к термодинамически самосогласованным системам законов сохранения. Для численного решения этих систем разработаны параллельные вычислительные алгоритмы с применением метода двуциклического расщепления по пространственным переменным. Реализация алгоритмов выполнена в виде программных комплексов для суперкомпьютеров гибридной архитектуры, зарегистрированных в Роспатенте. Проведена серия расчетов задач о распространении упругих волн в однослойных и трехслойных микрополярных прямоугольных пластинах и цилиндрических оболочках, вызванных воздействием на среду импульсных внешних нагрузок. Также в рамках проекта разработаны параллельные вычислительные алгоритмы и программы для исследования веерного механизма, имитирующего движение трещин сдвига в Земной коре на глубинах сейсмической активности со скоростями, превышающими скорость поперечных волн в горной породе. Этот механизм, предложенный профессором Тарасовым из Университета Западной Австралии, расширяет сложившиеся представления о зарождении и развитии мощных сейсмических событий. Вопреки известной гипотезе о распространении землетрясений вдоль существующих тектонических разломов считается, что оно может быть связано с движущимися волнами разрушения (трещинами сдвига), в результате которых образуются новые тектонические разломы. Исследования проводились с помощью прямого численного моделирования на суперкомпьютерах кластерной архитектуры Института вычислительного моделирования СО РАН (г. Красноярск) и Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН (г. Москва). На основе разработанной вычислительной технологии выполнен анализ процесса страгивания веерной системы под действием квазистатических касательных напряжений в окружающих блоках горной породы. Расчеты показали, что скорость веера слабо зависит от времени, в течение которого нарастает касательное напряжение в блоках (так имитируется внешнее геодинамическое воздействие) и что в случае интенсивных воздействий скорости веера, превышающие скорость поперечных волн, возможны даже на небольших временных интервалах. Таким образом, установлено, что скорость волн разрушения горных пород в сейсмоактивных зонах может достигать экстремально высоких значений. Под руководством члена-корреспондента РАН В. В. Шайдурова в ИВМ СО РАН в 2020 году завершен проект «Разработка информационно-вычислительных моделей сложных динамических систем и процессов в ближнем космосе» из государственного задания Института. В рамках этого проекта под руководством кандидата физико-математических наук В. А. Деревянко и кандидата физико-математических наук заместителя директора по научной работе Д. А. Нестеров велись работы по созданию технологии многослойных печатных плат из низкотемпературной керамики со встроенной плоской тепловой трубой для эффективного отвода тепла от радиоэлементов в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов, создаваемых в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. В. Решетнева» (г. Железногорск). Для расчета тепловых режимов работы разработаны вычислительные модели, учитывающие двухфазный теплообмен в плоской тепловой трубе в составе модуля. Для настройки этих моделей на конкретные конструкции и изделия проводилось систематическое сравнение расчетных зависимостей температур и тепловых сопротивлений с экспериментальными данными с последующей корректировкой модели с учетом особенностей конкретной конструкции экспериментальных керамических и обычных серийных плат. В итоге созданная модель позволяет получить с хорошей точностью значения мощностей начала нежелательного осушения фитиля, определяющие предельную тепловую нагрузку для разных условий работы. Использование модели позволяет проводить исследования хода и особенностей процессов теплообмена в экспериментальных керамических платах с плоской тепловой трубой и обычных серийных платах и оптимизировать их конструкцию. Для повышения точности моделей в условиях работы на орбите разработана технологическая цепочка их настройки на созданном лабораторном стенде, представляющем собой вакуумную камеру с теплоотводящим основанием для установки макетов блоков радиоэлектронной аппаратуры, которое обеспечивает поддержку температуры в пределах ±1 °C в диапазоне от −30 до +60 °C. Разработаны алгоритмы определения в режиме реального времени мощностей, подаваемых на элементы блока радиоэлектронной аппаратуры по набору измерений от системы встроенных температурных датчиков. Далее по набору восстановленных в реальном времени мощностей, подаваемых на каждый элемент, определяется режим работы всего блока аппаратуры. Алгоритмы позволяют заподозрить отклонения от нормальной работы блока, если предсказанный набор мощностей не соответствует ни одному из штатных режимов. В лаборатории под руководством И. И. Рыжкова разработаны математические алгоритмы для определения коэффициентов диффузии и термодиффузии (эффекта Соре) путем обработки экспериментальных данных серии экспериментов DCMIX на МКС на основе пространственно-временных зависимостей показателя преломления лазерных лучей, проходящих через ячейку с многокомпонентной смесью. Проведена коррекция исходных коэффициентов перекрестной диффузии в пределах измерительной ошибки, что послужило дополнительной проверкой экспериментальных данных, недоступной другими методами. Впервые исследована устойчивость разделения смесей с аномальным эффектом Соре в термодиффузионной колонне. Теоретический анализ показал, что характерное время установления стационарного режима в колонне существенного возрастает при уменьшении отношения радиусов цилиндров. Согласно эксперименту, разделение смеси с аномальным эффектом Соре в цилиндрической колонне может быть устойчивым, если разность температур между стенками превышает пороговое значение для исследуемой системы. Эти результаты можно использовать для планирования соответствующих экспериментов. Разработаны математические модели транспорта ионов в нанопорах с электропроводящей поверхностью. Модели основаны на двумерных уравнениях Навье-Стокса, Нернста-Планка и Пуассона, решаемых в цилиндрической нанопоре. Установлен новый эффект повышения ионной проводимости нанопоры за счет формирования индуцированного заряда на проводящей поверхности под действием внешнего электрического поля, который приводит к повышению концентрации противоионов внутри поры и росту ионной проводимости с увеличением приложенной разности потенциалов. Установлено хорошее согласие расчетных данных с экспериментальными результатами для углеродных нанотрубок. Полученные результаты найдут применение в системах управляемой нанофильтрации, прямого и обратного электродиализа, в области электрохимических сенсоров и нанофлюидных устройств. В рамках научного проекта под руководством Н. Я. Шапарева разработан комплекс программно-технологических средств для информационного обеспечения задач оперативного мониторинга окружающей среды. В его составе набор взаимосвязанных компонент, реализованных в сервис-ориентированной архитектуре: база геопространственных данных экологического мониторинга, сервисы сбора оперативной информации из различных источников, средства анализа данных и их экспорта, построения графиков и визуализации на основе геоинформационной веб-системы, программные интерфейсы для создания веб-приложений, адаптированный для настольных компьютеров и мобильных устройств пользовательский интерфейс. Перечисленные компоненты составили основу разработанной информационно-аналитической системы и базы данных для работы с оперативной информацией и архивом многолетних наблюдений за состоянием атмосферного воздуха в Красноярске. Вся актуальная информация размещается в сети Интернет на публично доступном веб-сайте системы мониторинга. Накопленные данные, которые на данный момент включают два зимних отопительных сезона и период задымления территории от лесных пожаров летом, позволили выполнить пространственно-временной анализ загрязнения города взвешенными частицами (PM2.5), локализовать наиболее загрязненные участки городской территории в разные сезоны года, сформулировать практические рекомендации для региональных экологических служб. В частности, результаты мониторинга в зимний период убедительно показывают определяющее влияние на загрязнение атмосферы Красноярска автономных источников теплоснабжения (печного отопления) малоэтажной застройки города и его пригородной зоны. Данные по рельефу и атмосферному давлению, скорости и направлению ветра в разных частях города позволяют оценивать динамику распространения загрязнения, прогнозировать неблагоприятные метеоусловия. Также в рамках проекта Н. Я. Шапарева предложено методическое и программно-техническое обеспечение для задач оценки состояния наземных экосистем на основе ландшафтно-бассейнового подхода, методов систематизации и обработки данных средствами ГИС, геоинформационного моделирования и многомерного анализа данных. В основе рассматриваемого подхода — формирование детальной пространственной основы исследуемой территории как многоуровневой иерархической системы топологически взаимосвязанных водосборных бассейнов, создаваемой по данным точной, гидрологически корректной цифровой модели рельефа. Эта система используется как информационная основа для решения широкого класса задач районирования территории — природно-ресурсного, физико-географического, агроэкологического, ландшафтно-климатического, и др. Минимальные водосборные бассейны модели выступают в качестве элементарных территориальных единиц, с которыми связан набор атрибутов-характеристик на основе рельефа, метеорологических, ландшафтных, почвенных и прочих данных, в том числе — данных дистанционного зондирования Земли. Методы многомерного анализа данных позволяют выявлять закономерности распределения данных, определять взаимосвязи между ними. В частности, с помощью привязанной к водосборным бассейнам средствами ГИС спутниковой информации о многолетней сезонной динамике вегетационных индексов, метеорологических, почвенных и прочих данных можно спрогнозировать урожайность сельскохозяйственных культур на полях или оценить вероятность возникновения пожаров, воздействия вредителей на лесные массивы. В 2020 году завершен проект четырехлетний проект под руководством доктора физико-математических наук В. К. Андреевым. В рамках проекта разработан программный комплекс для расчёта и визуализации (как статичной, так и в динамике) характеристик нестационарных течений в двухслойной системе с деформируемой поверхностью раздела, который может применяться для расчётов как основных, так и возмущённых течений двухслойной жидкости (последние возникают при потере устойчивости основного состояния под действием произвольных, необязательно малых, нестационарных возмущений). Проведено численное моделирование динамики двухслойной системы в условиях локального нагрева в полной постановке в силовых полях различной интенсивности при разных режимах работы и вариантах размещения нагревателей на границах плоской кюветы. Кроме этого, исследованы однонаправленные, в том числе и двухслойные, движения жидкости в плоском канале. При этом на твердых стенках задается нестационарный градиент температуры, что позволяет управлять движением жидкостей в канале. Возникающие начально-краевые задачи являются обратными, поскольку содержат неизвестный градиент давления. Для этих задач получены априорные оценки решения в равномерной метрике и указаны условия на входные данные, когда решения с ростом времени выходят на стационарный режим. Численными методами прослежена эволюция скоростей и температур для конкретных жидкостей и толщины канала для различных заданий градиентов температуры на твёрдых стенках. Под руководством Л. Ф. Ноженковой окончен проект на тему «Методы и технологии аналитической обработки данных и построения программно-технических комплексов и интегрированных систем» из государственного задания Института. В рамках проекта разработаны модели и алгоритмы обнаружения технологических нарушений и снижения производительности в цикле производства алюминия, основанные на применении совокупности методов математической статистики, интеллектуального анализа данных и машинного обучения. В результате комплексного структурного многомерного анализа данных среднесуточного мониторинга определены закономерности функционирования комплекса производства алюминия и характерные условия возникновения отклонений в технологическом процессе, что позволило сформировать «аналитические портреты» работы отдельных единиц комплекса производства алюминия. На основе выявленных зависимостей и результатов анализа прецедентов событий определены диапазоны допустимых значений контролируемых параметров, сформированы правила оценивания текущего состояния технологии и возникновения нарушений для отдельных единиц комплекса производства алюминия. По данным мгновенного мониторинга разработаны модели прогнозирования ключевых параметров, позволяющие своевременно обнаруживать отклонения в технологии. Разработаны алгоритмы идентификации изменений характера временных рядов параметров, свидетельствующих о возникновении технологических нарушений, созданы средства визуализации для оценивания текущего состояния технологии и динамики изменения производительности отдельных объектов по комплексу параметров производства алюминия. Также в рамках проекта Л. Ф. Ноженковой разработаны новые элементы технологии интеллектуального имитационного моделирования в жизненном цикле бортовой аппаратуры космических аппаратов. Выполнена тесная интеграция интеллектуальной имитационной модели и методов автоматизации испытаний бортовых систем. Создан метод, позволяющий сопоставлять результаты имитационных экспериментов с результатами испытаний реального оборудования. Метод позволяет автоматически выявлять причинно-следственные связи между получаемыми данными испытаний и параметрами работы бортовых систем. Имеется возможность оценивания корректной работы реального оборудования по модели. С другой стороны, в случае, если полученные при испытаниях данные отражают корректное поведение бортовых систем, метод может применяться для анализа соответствия имитационной модели реальному оборудованию. Новый метод анализа модели по результатам испытаний позволяет упростить отладку имитационной модели и обладает высоким потенциалом масштабирования для поддержки больших моделей.
|
||||||||
| Webmaster |