CC BY
7УДК 639.3.06:(001.89:004.31+004.6)
А.А. Недоступ1, А.О. Ражев2, А.А. Багрова2, Д.Е. Васильев2
1 Калининградский государственный технический университет, Калининград, 236022;
2 ООО «Лаборатория цифровых технологий», Калининград, 236022 e-mail: root@digitechlab.ru
К ТЕОРИИ МУЛЬТИФИЗИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ ГИДРОБИОНТОВ. ЧАСТЬ I
В процессе исследований биомеханических характеристик гидробионтов возникает необходимость в применении теории подобия живых объектов. Наряду с теорией подобия соблюдается теория размерностей. Рассматривается мультифизическое подобие гидробионтов, основанное на теории физического подобия А.А. Недоступа. Главной задачей исследования механики и гидродинамики живых систем (гидробионтов) в водной среде является автоматизация сбора статистики с последующей визуализацией характеристик гидробионтов с применением технологий дополненной реальности. На основании теории подобия разработаны правила физического подобия, получены критерии подобия в отношении геометрических, механических, гидроакустических, гидродинамических, термодинамических, оптических характеристик гидробионтов. Важная составляющая подобия состоит в сохранении у модели физической природы явлений оригинала.
Ключевые слова: правила подобия, мультифизическое подобие, гидробионт.
A.A. Nedostup1, A.O. Raghev2, A.A. Bagrova2, D.E. Vasiliev2
1 Kaliningrad State Technical University Kaliningrad, 236022; 2 DigiTech Laboratory, LLC,
Kaliningrad, 236022 e-mail: root@digitechlab.ru
TO THE THEORY OF MULTIPHYSICAL SIMILARITY OF HYDROBIONTS. PART I
In the process of studying the biomechanical characteristics of aquatic organisms, it becomes necessary to apply the theory of similarity of living objects. Along with the theory of similarity, the theory of dimensions is observed. The multiphysical similarity of hydrobionts based on the theory of physical similarity of A.A. Nedostup is considered. The main task of studying the mechanics and hydrodynamics of living systems (hydrobionts) in the aquatic environment is to automate the collection of statistics with subsequent visualization of the characteristics of hydrobionts using augmented reality technologies. Based on the theory of similarity, the rules of physical similarity have been developed, similarity criteria have been obtained for the geometric, mechanical, hydroacoustic, hydrodynamic, thermodynamic and optical characteristics of hydrobionts. An important component of similarity is that the model retains the physical nature of the original phenomena.
Key words: similarity rules, multiphysical similarity, hydrobionts.
Изучение поведения рыб может сыграть важную роль в улучшении нашего понимания эксплуатируемой экосистемы УЗВ и принятии экосистемного подхода к управлению рыбоводством [1]. Исследования ученых направлены на изучение поведения гидробионтов как в натурных условиях, так и с помощью математического и имитационного моделирования. Особенно это важно в эксплуатируемых экосистемах УЗВ. Важная задача и цели, связанные с поведением рыб, могут быть эффективно включены в оценку продуктивности УЗВ. Основное внимание должно быть уделено не только определению взаимосвязи между поведением рыб и автоматизацией УЗВ с точки зрения изменчивости подачи кормов, температуры воды, но и разработке более экологически чистых и комфортных для обитания УЗВ. С применением технологий машинного
XIV Национальная (всероссийская) научно-практическая конференция
зрения и слуха возможно более углубленно и детально изучать поведение и физиологию рыбы, ее движения, световое и звуковое восприятие. Подобные исследования имеют как практическое применение, так и носят фундаментальный характер, влияя на научную оценку поведения живых организмов в целом и гидробионтов в частности.
Разделим исследования поведения гидробионтов одного вида в области физического моделирования на группы:
1. Методы наблюдения, лабораторные и экспериментальные исследования одной особи.
2. Влияние группового поведения и поведенческих взаимодействий в понимании временных и пространственных взаимодействий гидробионтов, динамики гидробионтов.
3. Исследования поведения рыбы при влиянии на нее мультифизических факторов, связанных с раздражителями, мотивационными эффектами и конфликтами между гидробионтами.
4. Мультифизическое моделирование характеристик и процессов гидробионтов [2-8].
5. Оценка масштабного эффекта мультифизического моделирования характеристик и процессов гидробионтов.
Для обоснования правил физического подобия гидробионтов одного вида необходимо разделить физические параметры и характеристики гидробионтов. При рассмотрении подобия биомеханики гидробионтов при динамическом подобии через масштаб линейных характеристик Сг: механических величин; гидродинамических величин; термодинамических величин; световых величин; акустических величин; оптических величин.
На основании масштабов мультифизического подобия гидробионтов определены критерии подобия гидробионтов. В процессе исследований биомеханических характеристик гидробионтов возникает необходимость в применении теории подобия живых объектов. Критерии подобия биомеханики гидробионтов определены на основании теории размерности физических величин. Данный способ основывается на сокращении размерностей физических величин и обеспечивает выполнение отношений параметров.
Для обоснования правил физического подобия гидробионтов одного вида необходимо разделить физические параметры и характеристики гидробионтов. При рассмотрении подобия биомеханики гидробионтов на основании теории размерности получены масштабы подобия гидро-бионтов при динамическом подобии через масштаб геометрических характеристик Сг: механических величин; гидродинамических величин; термодинамических величин; световых величин; акустических величин; оптических величин.
Рассматриваем один вид гидробионта. За натуру «н» берем половозрелую рыбу, за модель «м» сеголетку гидробионта (рис. 1).
За линейный масштаб С1 принимаем отношение геометрических характеристик гидробио-нтов (рис. 2).
Модель гидробионта (сеголетка карпа)
Натурный гидробионт (половозрелая рыба - карп)
Рис. 1. Натура и модель гидробионта
Рис. 2. Геометрические характеристики гидробионта: 1-2 - зоологическая длина тела (L);
1-3 - длина тела без хвостового плавника, промысловая длина (I); 4-5 - наибольшая высота тела (H);
1-6 - длина головы (C); 7-8 - наибольшая толщина тела (Z)
Масштаб линейных размеров CI определяется, исходя из выражения
c=L±=L=H^==Z^
' L l H C Z '
мм м м м
При этом масштаб, где C, определяется отношением характеристик «н»/«м». Масштаб плотности тела рыбы равен Cp = 1.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-21-00010, https://rscf.ru/project/23-21 -00010/.
Литература
1. Об аквакультуре (рыбоводстве) и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон от 02.07.2013 № 148-ФЗ (последняя редакция).
2. Гухман А.А. Введение в теорию подобия. - М.: Высш. шк., 1973. - 296 с.
3. Математические основы теории подобия / М.В. Кирпичев, П.К. Конаков. - М. - Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1949. - 106 с.
4. Недоступ А.А. Правила физического моделирования динамических процессов рыболовства // Рыбное хозяйство. - № 4. - 2011. - С. 97-98.
5. Недоступ А.А., Ражев А.О. К теории термодинамического подобия установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Известия КГТУ. - 2020. - № 57. - С. 40-53.
6. Недоступ А.А., Ражев А.О., Хрусталев Е.И. Обоснование масштабов подобия световых величин установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2020. - № 3. - С. 61-69.
7. Недоступ А.А., Ражев А.О., Хрусталев Е.И. Обоснование масштабов подобия акустических величин в установках для выращивания гидробионтов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2020. -№ 4. - С. 29-36.
8. Обоснование масштабов подобия оптических величин в установках для выращивания гидробионтов / А.А. Недоступ, А.О. Ражев, Е.И. Хрусталев, К.А. Молчанова // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - Астрахань: АГТУ, 2021. - № 1. - С. 7-12.
