Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 636193)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Прикладная механика и техническая физика

Прикладная механика и техническая физика №3 2002 (352,00 руб.)

0   0
Страниц179
ID200333
АннотацияЖурнал публикует оригинальные статьи и заказные обзоры по механике жидкости, газа, плазмы, динамике многофазных сред, физике и механике взрывных процессов, электрическому разряду, ударным волнам, состоянию и движению вещества при сверхвысоких параметрах, теплофизике, механике деформируемого твердого тела, композитным материалам, методам диагностики газодинамических физико-химических процессов.
Прикладная механика и техническая физика : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2002 .— №3 .— 179 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200333 (дата обращения: 18.05.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Основное внимание уделено двум этапам моделирования — выбору физико-математических моделей механики сплошной среды и численным алгоритмам их решения. <...> Все это позволило перейти от использования ЭВМ как скоростного вычислителя к системе моделирования, включающей весь процесс от разработки математических моделей, численных алгоритмов, программирования до создания комплексов и пакетов программ для решения классов задач, анализа результатов, вывода, хранения, что является содержанием нового научного направления — математического моделирования [1–11]. <...> В соответствии с современными представлениями процесс моделирования может быть представлен в виде следующей последовательности: исследуемое явление — математические модели — численные алгоритмы — программирование — ЭВМ — вычисления и их анализ — обработка и хранение результатов, дополняющей известную триаду математического моделирования модель — алгоритм — программа [2, 4, 11]. <...> Все элементы техноло- 4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. <...> Таким образом, выбор и формулировка физикоматематических моделей становится многопараметрической задачей, решение которой 6 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. <...> Более того, такие 8 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. <...> Численный алгоритм назовем экономичным, если Q в (2.3) — линейная функция числа узлов сетки по времени и пространству. <...> Изменение электротермических свойств композитного слоя в зависимости от координаты достигается изменением объемной концентрации компонентов. <...> Для случая экспоненциально нарастающего магнитного поля получено аналитическое решение задачи определения оптимальных распределений объемных концентраций компонентов в композитном слое, при которых происходит максимальное увеличение предельной скорости листа. <...> Аналитически и численно показана возможность существенного увеличения предельной скорости композитных листов по сравнению с предельной скоростью <...>
Прикладная_механика_и_техническая_физика_№3_2002.pdf
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2002. Т. 43, NУДК 519; 533.6 НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В. М. Ковеня Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090 Новосибирск Сформулированы основные проблемы и тенденции развития математического моделирования — нового научного направления в исследовании различных процессов и явлений. Анализ состояния и перспектив развития проведен на примере задач механики сплошной среды. Основное внимание уделено двум этапам моделирования — выбору физико-математических моделей механики сплошной среды и численным алгоритмам их решения. Введение. Математическое моделирование как новый способ исследования и получения новых знаний сформировалось в 70-х гг. XX в. на основе широкого применения математических методов при решении теоретических и практических задач естествознания. Его создание и развитие обусловлено появлением электронно-вычислительных машин, способных производить арифметические и логические вычисления со скоростью, недоступной для человека. Необходимость решения все более сложных задач науки, техники и народного хозяйства потребовала разработки и обоснования математических моделей, отражающих основные закономерности исследуемых явлений, и создания экономичных численных алгоритмов их решения. Эффективная реализация этих алгоритмов в свою очередь не только потребовала разработки и создания новых ЭВМ, но и стимулировала исследования по созданию новых языков программирования, операционных систем и систем поддержки программного обеспечения, а также разработку новых подходов в программировании и информационных технологиях. Все это позволило перейти от использования ЭВМ как скоростного вычислителя к системе моделирования, включающей весь процесс от разработки математических моделей, численных алгоритмов, программирования до создания комплексов и пакетов программ для решения классов задач, анализа результатов, вывода, хранения, что является содержанием нового научного направления — математического моделирования [1–11]. С возникновением нового направления исследований появились проблемы, от решения которых зависит его развитие. Математические модели и алгоритмы, программы и комплексы программ, ЭВМ и системы поддержки для решения задач являются элементами моделирования. Их роль и место могут быть правильно оценены лишь во всей цепочке моделирования, которую назовем технологической (см. [11]). Под технологической цепочкой моделирования будем понимать совокупность ее элементов, выполняемых в определенной последовательности и составляющих полный цикл. Разумеется, для различных областей исследования эти элементы могут различаться, поэтому в качестве основы технологической цепочки должны быть выбраны общие для всех областей моделирования элементы. В соответствии с современными представлениями процесс моделирования может быть представлен в виде следующей последовательности: исследуемое явление — математические модели — численные алгоритмы — программирование — ЭВМ — вычисления и их анализ — обработка и хранение результатов, дополняющей известную триаду математического моделирования модель — алгоритм — программа [2, 4, 11]. Все элементы техноло◦ 3 3
Стр.1
4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2002. Т. 43, N◦ 3 гической цепочки, очевидно, взаимосвязаны, и эта связь нелинейна, а изменение одного из ее элементов может привести к изменению не только последующих, но и предыдущих элементов. До начала моделирования исследователь явно или неявно проводит анализ всей цепочки моделирования исходя из современных представлений об исследуемом явлении или процессе, наличия ресурсов ЭВМ и ее возможностей, наличия численных алгоритмов и т. д. Конечно, для некоторых изучаемых явлений и классов решаемых задач отдельные элементы цепочки могут быть опущены. В качестве примера приведем известное представление Н. Н. Яненко о разностной схеме (численном алгоритме) как математической модели для описания физического явления. Создание более полных математических моделей, способных адекватно описывать более сложные исследуемые процессы, и разработка более точных и эффективных численных алгоритмов приводили к необходимости создания ЭВМ все большей производительности. Это могло быть достигнуто не только за счет совершенствования элементной базы, но и главным образом за счет новых архитектур ЭВМ, использующих принципы многопроцессорности и параллельности вычислений. В свою очередь эти архитектуры накладывают определенные требования на численные алгоритмы, большинство из которых созданы в эпоху однопроцессорных ЭВМ, в которых вычисления проводились последовательно. Новые архитектуры ЭВМ требуют создания новых численных алгоритмов и пересмотра существующих численных методов с целью их адаптации к этим архитектурам. В настоящее время можно утверждать, что математическое моделирование наряду с физическим и натурным экспериментами является основным способом исследования и получения новых знаний в различных областях естествознания. Можно ожидать, что его роль в дальнейшем возрастет, но оно не заменит физический или натурный эксперимент, так как опыт всегда остается основой исследования. Следует ожидать сближения различных форм исследования, дополняющих друг друга. Активное использование математического моделирования в различных областях естествознания и человеческой деятельности обусловлено многими факторами, основными из которых являются следующие: —усложнение класса исследуемых задач, для изучения которых необходимо создание новых дорогостоящих экспериментальных установок или модельных объектов (в ряде случаев численное моделирование этих задач может быть получено при меньших финансовых затратах); — большие энергетические и финансовые затраты на обслуживание экспериментальных установок и объектов; — необходимость решения экологических, социальных и других проблем; — невозможность проведения физического (химического, экономического и т. д.) или натурного моделирования в ряде областей исследования (в этом случае математическое моделирование является единственно возможным). К указанным факторам следует добавить возможность сокращения сроков исследования и получения результатов, а также возможность их многократного и быстрого повторения или уточнения, хранения и т. д. Развитие математического моделирования приводит к созданию автоматизированных систем для управления производством, что позволит резко увеличить производительность труда и избежать влияния субъективного “человеческого” фактора при принятии решений. Таким образом, математическое моделирование становится основным способом исследования и получения новых знаний. В то же время результаты математического моделирования находят широкое применение в производстве и других областях человеческой деятельности (например, при создании систем автоматического проектирования, экспертных систем и т. д. [12]). В данной работе рассматриваются некоторые тенденции развития математического моделирования. Поскольку охватить все области его применения невозможно, ниже сделан акцент на задачах механики сплошной
Стр.2
В. М. Ковеня 5 среды. В этой области исследования математическое моделирование получило наибольшее распространение как в силу невозможности получения решений на основе других подходов, так и в силу важности этого класса задач для развития производства (см., например, [1–12]). Как отмечено выше, эффективность математического моделирования может быть правильно оценена при рассмотрении всей технологической цепочки. Поэтому остановимся на анализе состояния и развития отдельных ее элементов и их взаимодействия. Основное внимание уделяется выбору моделей и численных алгоритмов. 1. Физико-математические модели. Для задач механики сплошных сред в наиболее полной постановке физико-математические модели могут быть описаны интегральными законами сохранения ∂ ∂t  V W0 dV +  S W ds =  V F dV, (1.1) выражающими связь между изменением во времени в замкнутом объеме V некоторых величин (потоков) и их изменением при переходе через границы S, а также взаимодействие потоков с внешними источниками или стоками. Интегральные законы сохранения (например, массы, импульсов и энергии для моделей сплошной среды) являются наиболее общей формой описания движения сред и справедливы как для непрерывных, так и для разрывных решений. Наряду с интегральной формой используется их дифференциальное представление ∂W0 ∂t +divW = F, полученное из (1.1), но справедливое лишь для непрерывных решений. Многообразие и многопараметричность исследуемых задач и их математических постановок, разномасштабность процессов приводят к цепочке физико-математических моделей, каждая из которых получена при определенных предположениях о характере изучаемого явления и описывает основные его закономерности. Особенностью такого подхода является и многообразие уравнений, описывающих эти модели. Полученные уравнения могут быть уравнениями различного типа (гиперболическими, параболическими, эллиптическими или уравнениями переменного типа), что приводит к различным постановкам начальных и краевых задач. Более того, при исследовании одного класса задач тип уравнений может меняться в зависимости от характера решения. Например, стационарные уравнения газовой динамики являются уравнениями эллиптического типа для дозвуковых скоростей и гиперболического для сверхзвуковых, т. е. в отдельных подобластях расчетной области необходимо решать уравнения различного типа, что накладывает дополнительные требования на применяемые численные методы. Большинство процессов в механике жидкости и газа являются нелинейными и эволюционными, и как следствие эти же свойства присущи описываемым их системам уравнений. Свойства таких уравнений изучены недостаточно, для большинства задач не доказаны теоремы существования и единственности, более того, их решения могут быть неединственными и разрывными даже при гладких начальных данных (см. [10]). Переход к многомерным задачам и усложнение расчетных областей (рассмотрение реальных геометрий) вносит дополнительные трудности в их постановку. При отсутствии строгих доказательств существования и единственности решений всегда остается открытым вопрос о соответствии физико-математической модели исследуемому явлению. При недостаточной информации об исследуемом процессе возникает необходимость рассмотрения различных моделей, учитывающих основные закономерности изучаемого явления для различных диапазонов основных параметров. Таким образом, выбор и формулировка физикоматематических моделей становится многопараметрической задачей, решение которой
Стр.3