CC BY
30
Теплофизика
Компьютерное
моделирование: особенности
Развитие современных информационных технологий неразрывно связано со стремительным прогрессом в этой области, прежде всего в технике и программном обеспечении (ПО). При этом их использование для изучения явлений и процессов в энергетике, промышленности и транспорте предполагает сочетание инженерных подходов и лабораторных, стендовых, натурных испытаний с возможностями компьютерного моделирования (КМ), имеющее большое значение для научного познания и решения технико-технологических задач.
Доступные высокопроизводительные ЭВМ, относительно дешевые рабочие станции, а также еще более распространенные персональные компьютеры уже обладают достаточной производительностью для проведения быстрых расчетов и моделирования технологических процессов во время предпроектных, проектных и испытательных работ. Разумное использование КМ позволяет сократить сроки работ при относительно небольших затратах. А его широкому применению также способствуют постоянное совершенствование компьютерных систем, увеличение их ресурса и быстродействия, а также развитие ПО, предоставляющего возможность за короткое время производить предварительные оценки особенностей различных процессов и возможных ситуаций функционирования оборудования. Сравнительно низкие затраты
на проведение расчетов объясняют возрастающую роль ПО различного профиля и назначения, позволяющего инженерам не только рассчитывать, но и обрабатывать и интерпретировать результаты.
Современное прикладное программное обеспечение - мощная прогностическая система, удобная в эксплуатации и снабженная пользовательским графическим интерфейсом, каталогами современных математических моделей, разветвленными базами данных справочной информации. Впечатляющие достижения в ее создании основаны на использовании строгих подходов физики, химии, материаловедения, вычислительной математики и других смежных дисциплин. Бурный прогресс в компьютерной технике, развитие математических моделей для описания технологических процессов, а также разработка эффективных вычислительных методов стали информационной основой для широкого внедрения прикладного ПО в практику инженерных и конструкторских расчетов на промышленных предприятиях.
К сожалению, создается иллюзия, что с помощью компьютерных программ могут быть решены любые задачи. Формированию такого имиджа в немалой степени способствуют производители прежде всего коммерческого ПО, а также определенная неискушенность покупателей - будущих пользователей, ошибочно представляющих, что само по себе программное обеспечение разрешит все их проблемы и заменит дорогостоящие физические эксперименты. На самом деле используемые в ПО физико-математические модели для описания процессов далеки от совершенства и, как правило, имеют весьма узкие области применения, накладываемые ограничениями физических моделей, уравнений и зависимостей, граничных условий и наборов эмпирических коэффициентов. Поэтому приемлемость того или иного ПО для решения сложных технологических задач должна быть предметом специальных исследований.
Важный вопрос любого КМ - оценка адекватности получаемых численных прогнозов реальности. Чтобы на него ответить, необходимо провести тестирование ПО на совокупности модельных задач с точно известными решениями или на надежных экспериментальных данных. Для этого целесообразно обладать расширенной базой тестовых задач, по которым может производиться экспертиза функциональности ПО.
Андрей Чорный,
завлабораторией турбулентности Институтатепло-и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси, кандидат физико-математических наук
17622173
ТЕМА НОМЕРА
Также на рынке присутствует достаточное количество инструментов для решения прикладных задач, связанных с анализом, оптимизацией, автоматизацией технологических процессов и оборудования. Кроме того, пользователи практикуют применение узкоспециализированного программного обеспечения, разработанного непосредственно для них по заказу, из-за чего они вынуждены выбирать наиболее эффективный инструмент. Определяется это ответами на вопросы о том, насколько возможности предлагаемых новых компьютерных технологий отличаются от традиционных или уже используемых на предприятии, как часто они потребуются, какую сумму компания готова вложить в покупку ПО.
Ответом на первый вопрос является полноценная экспертиза коммерческого и некоммерческого программного обеспечения на модельных тестовых задачах из базы данных с выработкой определенных рекомендаций будущим пользователям.
Ответ на второй вопрос тесно связан с третьим. Крупные универсальные пакеты прикладных программ - недешевые продукты, защищенные лицензиями разработчиков. Поэтому необходим предварительный анализ соотношения «интенсивность использования за время действия лицензии - стоимость» для определения выгодности вложения финансов в покупку коммерческого ПО. Сделать это могут опытные эксперты.
Зачастую организации вместо коммерческих продуктов, являющихся своеобразными «черными ящиками», применяют бесплатное ПО с открытыми кодами, то есть с возможностью их модификации под собственные нужды. Основной его недостаток - свободная лицензия на использование, в которой прописано, что разработчик не несет ответственности за результаты. Тем самым пользователи вынуждены применять его на свой страх и риск либо при достаточной квалификации обязательно проводить экспертизу на модельных задачах, приближенных по постановке к требованиям проектируемых технологических процессов, с сопоставлением результатов с достоверными экспериментальными данными.
Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси стремится в полной мере использовать возможности КМ в своих разработках, прежде всего в области вычислительной гидрогазодинамики и теплообмена, для чего привлекаются специалисты, используется набор инструментов в виде профильного ПО теплофизического и газодинамического направления и многопроцессорные ЭВМ. Основная задача заключается в разумном,
производительном и эффективном применении компьютерных технологий на всех этапах работы инженера-конструктора и специалиста по моделированию: составления первоначальной концепции и проектного решения на основе общепринятых стандартных инженерных методиках и опыта специалистов; проверки методами математического, компьютерного моделирования качества проектного решения создаваемого объекта; последующей корректировки; доводки откорректированного проектного решения методами математического моделирования с привлечением результатов испытаний.
Эти условные этапы отражают хорошо отработанный процесс, с помощью которого создаваемый технический объект (оборудование, элемент техники) переходит от первоначальной концепции к полностью действующей системе. При этом компьютерное моделирование используется как на стадии оценки проекта, так и при тестировании, постановке экспериментальных исследований и проверках. Таким образом, получается совокупный набор информации, использование которой может приводить к значимым изменениям проекта.
Следует отметить, что в обозримом будущем КМ не заменит четко спланированные и выполняемые экспериментальные исследования. Однако его внедрение в процесс испытаний может сэкономить затраты на разработку и устранить затраты на повторение неудачных и поспешно запланированных опытов. Еще одна из возможных очень полезных ролей КМ - его использование для исследования гипотетических аномальных проявлений действия разрабатываемых или изучаемых систем, способных привести к выходу из строя, поломке, разрушению.
Современное компьютерное моделирование, средства, с помощью которых оно производится, и его результаты на стадии разработки новых технологических процессов и образцов техники способствуют уменьшению издержек на проектной стадии, становятся дополнительным фактором, позволяющим повысить конкурентную и имиджевую составляющую организаций, применяющих такие подходы в своей деятельности. Это соответствует общемировым тенденциям работы ведущих промышленных предприятий. Однако анализ перспектив использования современного программного обеспечения при создании новых образцов техники либо оптимизации работы существующего оборудования показывает, что требуется тщательная экспертиза и самого ПО, и квалификации инженеров и специалистов, работающих с ним. СИ
