Новые методы параллельного моделирования распространения загрязнений в окрестности промышленных и муниципальных объектов

• Автор: Пекунов, Владимир Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 408 с. : ил. + Прил. (с. 275-408)

Введение

Глава 1. Моделирование несущей и пылевой фаз.

1.1. Обзор моделей, применяемых для оценки уровней загрязнений

1.2. Определение общих требований к математической модели.

1.3. Динамические уравнения для основной и пылевой фаз

1.4. Уравнения переноса излучения.

1.4.1. Диффузное излучение

1.4.2. Прямое солнечное излучение.

Выводы к первой главе.

Глава 2. Моделирование капельной фазы

2.1. Динамические уравнения для капельной фазы

2.1.1. Поиск функции распределения и характеристик заполненности компонента.
2.1.2. Оптические характеристики среды с капельными фазами
2.1.3. Основные уравнения
2.1.4. Проверка адекватности предложенных уравнений.
2.2. Численные методы для всех уравнений модели
2.2.1. Решение параболических уравнений
2.2.2. Решение уравнений Гельмгольца.
2.2.3. Решение уравнений химической кинетики.
2.2.3.1. Компромиссная разностная схема.
2.3. Особенности реализации выбранных численных методов для областей сложной формы.
2.4. Граничные условия для всех уравнений модели.
2.4.1. Алгоритмическая реализация обработки угловых точек
2.4.2. Давление и скорость
2.4.3. Интенсивность излучения н освещенность
2.4.4. Температура.
2.4.5. Прочие переменные.
Выводы ко второй главе.
Глава 3. Распараллеливание вычислений.
3.1. Распараллеливание вычислений при интегрировании динамических уравнений
3.1.1. Выбор метода распараллеливания для систем с однородной средой передачи данных.
3.1.2. Выбор метода распараллеливания для систем с неоднородной средой передачи данных.
3.1.3.0 выборе нетривиальных комбинаций методов распараллеливания
3.2. Разбиение области и разностные схемы для стыков.
3.3. Проблема обработки стыков.
3.3.1. Построение оптимальной схемы обменов
3.3.2. Сокращение количества обменов.
3.4. Распараллеливание вычислений при интегрировании уравнений химической кинетики.
3.5. Выбор программных средств распараллеливания.
3.6. Общий алгоритм вычислений и обменов данными.
3.7. Проблема автоматизации программирования.
3.8. Краткое описание разработанного программного кода.
Выводы к третьей главе.
Глава 4. Объектнособытийные модели порождения программ.
4.1. Обзор подходов к автоматизации программирования.
4.2. Объектнособытийная модель
4.2.1. Структура.
4.2.2. Интерпретация
4.2.3. Трансляция
4.3. Применение объектнособытийных моделей для автоматизации программирования.
4.3.1. Параллельное численное моделирование образования и распространения загрязнений
4.3.2. Генерация тестовых скриптов в системе профильного тестирования
4.4. Некоторые следствия объектнособытийного подхода
Выводы к четвертой главе.
Заключение
Библиографический список
Приложения.
Приложение I. Выбор модели турбулентности
Приложение 2. Анализ эффективности распараллеливания.
Алгоритм балансировки загрузки процессоров.
Исследование общей эффективности распараллеливания при работе с различными интерфейсами
Распараллеливание при использовании комбинации интерфейсов ОрепМР и I для неоднородных
кластерных систем
Приложение 3. Имитаторы многопроцессорной системы XI
Общие принципы построения имитаторов.
Одномашинный имитатор XI.
Сетевой имитатор XI
Приложение 4. Численные эксперименты по моделированию распространения загрязнений
Моделирование образования и распространения загрязнений на улице города
Общая постановка экспериментов
Проверка адекватности базового блока модели.
Моделирование фотохимического смога.
Моделирование очистки атмосферы с помошыо поливочных машин
Моделирование распрост ранения загрязнений в окрестности предприятия.
Постановка эксперимента.
Обсуждение результатов эксперимента.
Рекомендации по применению результатов работы в 1I промышленных предприятий и объектов
городской застройки
Обсуждение результатов численного моделирования
Приложение 5. Акты внедрения.
Приложение 6. Текст транслятора с обобщенного алгоритмического языка на конкретный
Приложение 7. Тестовый скрипт, порожденный системой автоматизации прог раммирования.
Приложение 8. Входной файл для программы МОВ1ЬВ6.2.
Приложение 9. Модель фотохимического смога СВМУ.
Приложение . Входные файлы для программы САЬЗНС.
Введение


Хорошим, на первый взгляд, вариантом является рассмотрение среды как слабо сжимаемой см. Соответствующие уравнения описывают процессы в области, где изменения скорости и давления не очень велики , с. При этом все динамические уравнения имеют единую форму и интегрируются одним численным методом, что существенно облегчает написание программы и ее распараллеливание 5, 0. К сожалению, данный подход обнаружил трудноустранимый недостаток уравнение слабой сжимаемости весьма чувствительно к малым возмущениям, в том числе вызванным вычислительными причинами, например, машинными погрешности округления. В результате могут возникать паразитные решения, соответствующие волновым течениям жидкости уравнение слабой сжимаемости подобно уравнениям акустики , с. С вышеуказанным недостатком столкнулся автор в экспериментах, описанных в работе 5. Проблема обычно возникает в случае, если расчет проводится на достаточно большом отрезке времени моделирования, когда поле давления уже практически стабилизировалось с заданной допустимой погрешностью, но эксперимент нельзя остановить, поскольку прочие физические процессы продолжают идти. Проблему можно решить, либо останавливая расчет давления после стабилизации, либо, например, введя в уравнение слабой сжимаемости искусственную вязкость суть приема описана, например, в 4. Первое решение не будет корректным, если есть вероятность дальнейшего изменения картины воздушных потоков, требующего пересчета давления. Второе решение в ряде случаев стабилизирует расчет, но приводит к не вполне корректной физически картине давления. Указанная проблема и трудности ее корректного устранения вынуждают нас отказаться от подхода слабой сжимаемости. Следовательно, воздушную среду будем считать несжимаемой такой подход часто применяется в метеорологии, см. Это не внесет существенных искажений в расчет 5, с. Маха М0,3
М , где V характерная скорость воздуха, а местная скорость звука. Рассмотрим варианты уравнений для скорости воздуха. Поскольку необходимо учесть не только конвективный, но и диффузионный перенос, это могут быть классические уравнения НавьеСтокса для несжимаемой среды, записанные в системе скорость давление см. И 7 или вектор вихря скорость 4, 3, 9. Расчеты по классическим уравнениям НавьеСтокса показывают вполне хорошее соответствие экспериментальным данным. Также отметим, что существуют модификации уравнений НавьеСтокса, являющиеся более точными см. Модифицированные уравнения, вероятно, целесообразно использовать для более сложных случаев, чем в данной работе. Использование уравнений НавьеСтокса для несжимаемой среды в естественной системе скорость давление имеет определенные трудности см. Примечательно, что некоторые методы в различных литературных источниках 5, 4, 7 приписываются к разным подходам, в зависимости от того а какая модификация метода считается доминирующей б какая особенность метода выбрана в качестве классификационного признака. Не здаваясь в тонкости данного вопроса это не входит в число наших задач, возьмем за основу классификацию, данную в 5. Пуассона для давления 4, с. Первый подход достаточно прост, отличается хорошей стабильностью вычислительного процесса и успешно применяется в практических расчетах 6. Устойчивость расчета обеспечивается применением либо смещенных сеток, либо противоточных производных 0. Единственной возможной проблемой является тот факт, что процесс интегрирования трехмерного уравнения Пуассона для давления может иметь более медленную сходимость 4, с. Второй подход весьма схож с методом слабой сжимаемости, с той разницей, что коэффициент сжимаемости вводится искусственно, по сугубо вычислительным соображениям. Подход имеет следующие недостатки а трудно подобрать оптимальный коэффициент сжимаемости, дающий наилучшую сходимость решения 4, с. Второй недостаток весьма серьезен и в случаях некоторых сложных течений практически не поддается исправлению. Проблема хорошо иллюстрируется, например, длительным расчетом по программе 5, с. Методы поправки давления упомянем основные I 5,0. I 5, с.