Моделирование или, точнее, компьютерное моделирование – это тема, прямо или косвенно связанная с содержанием многих статей нашего сайта. Есть и разделы, полностью посвященные моделированию, например он есть в более общем разделе Аспекты алгоритмизации. Лично я занимался подобным моделированием с тех пор как у нас появились персональные компьютеры. Но прежде чем рассказать о своем моделировании, позвольте сделать краткий обзор того, как понимают этот термин другие жители планеты.
Моделирование, согласно БСЭ - это исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (живых и неживых систем, инженерных конструкций, разнообразных процессов — физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов (для определения, уточнения их характеристик, рационализации способов их построения и т. п.).
Компьютерное моделирование – это метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов на основе имеющейся модели.
Моделирование, в Большом энциклопедическом словаре, – исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей.
Моделирование – это процесс замещения оригинального объекта неоригинальной другой моделью с фиксацией и изучением свойств оригинала с помощью исследования свойств модели неоригинала.
Согласно материала из Википедии — свободной энциклопедии:
Модель (фр. modèle, от лат. modulus — «мера, аналог, образец») — это упрощенное представление реального устройства и/или протекающих в нем процессов, явлений. Построение и исследование моделей, то есть моделирование, облегчает изучение имеющихся в реальном устройстве (процессе) свойств и закономерностей. Применяют для нужд познания (созерцания, анализа и синтеза).
Компьютерный эксперимент по Википедии — свободной энциклопедии:
Компьютерный (численный) эксперимент — это эксперимент над математической моделью объекта исследования на ЭВМ, который состоит в том что, по одним параметрам модели вычисляются другие ее параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью. Данный вид эксперимента можно лишь условно отнести к эксперименту, потому как он не отражает природные явления, а лишь является численной реализацией созданной человеком математической модели. Действительно, при некорректности в мат. модели — ее численное решение может быть строго расходящимся с физическим экспериментом.
В моей практике наладчика, а не научного работника, моделирование выглядит несколько иначе: моделирование – это разработка и эксплуатация моделей. А вот что такое модель – это уже отдельный разговор.
Например, водно-химическая модель работы энергетического котла с двумя ступенями испарения, построенная на листе Excel. Вы ее можете увидеть в разных статьях и файлах, расположенных на нашем сайте. Например в статье Обозначения раздела Уроки ВХР.
Несколько упрощенно модель выглядит так:
стрелка указывает поток питательной воды, входящей в первую ступень испарения. В ячейке над стрелкой вводятся расход питательной воды и содержание в ней примеси (например, кремнекислоты). Аналогичным образом показываются потоки воды и пара, выходящие из первой ступени – это первый узел модели. Для этого узла записываются балансовые соотношения потоков воды и пара и содержания в них примесей. Простые соотношения типа сколько вошло, столько и вышло.
Аналогичным образом поток котловой воды первой ступени поступает во вторую ступень испарения, а из этой ступени выходят продувочная вода и пар второй ступени. Над стрелкой потока продувочной воды вводится расход на непрерывную продувку, потому что он не рассчитывается, а задается. Для этого, второго, узла также записываются простые балансовые соотношения для входящих и выходящих потоков теплоносителя и примеси в них. Далее стрелки показывают объединение потоков пара из первой и второй ступени в общий поток пара, выдаваемого котлов. Это третий узел и для него тоже записываются балансовые соотношения.
После ввода исходных данных (содержание примеси в питательной воде и расход воды на непрерывную продувку) нажимаем клавишу F9, что означает рекурсию или пересчет, и после нескольких нажатий устанавливается расчетное равновесие для всех потоков. Примерно так, как это происходит и в реальном котле, только гораздо быстрее. Возле каждого потока в отдельных ячейках высвечиваются значения расхода теплоносителя и содержания в нем примеси, введенной в котел. Решать систему уравнений здесь не требуется, так как решение находится в результате последовательных приближений после многократного нажатия клавиши F9.
К такой модели можно добавлять другие фрагменты, например потоки добавочной воды и пара для внешнего потребителя. Можно объединять с фрагментами (моделями) других котлов и получать водно-химическую модель всей ТЭС. И все это, повторюсь, можно делать без решения систем уравнений, а лишь учитывая простейшие балансовые соотношения для каждого узла, входящего в модель. Подобные модели я рисовал для молодых специалистов, чтобы они могли оперативно ориентироваться по ним, например, при проведении теплохимических испытаний.
Приходилось мне также создавать и более сложные модели работы котлов и турбин Курской ТЭЦ-1. Для турбины, поток острого пара входит сначала в регулирующую ступень с четырьмя распределительными клапанами. Для каждого клапана записывается своя группа формул или соотношений между параметрами входных и выходных потоков. Далее эти потоки объединяются и поступают во вторую ступень и так далее. После первого отсека пар поступает на очередную ступень второго отсека и часть его уходит на ПВД – подогреватель высокого давления. Отобранный на ПВД пар конденсируется при определенном давлении и этим влияет на температуру нагреваемой питательной воды, а через эту температуру – на все параметры пара в предыдущих и последующих ступенях. И так далее вплоть до конденсатора турбины. Здесь тоже не решаются какие-то системы уравнений, а только указываются разные соотношения, имитирующие показатели на входе и выходе реальных потоков.
Такая модель была первоначально сделана в Quattro Pro, предшественнице Excel, затем она была перенесена на лист Excel. В этой модели были, как и в реальной турбине, десятки обратных связей по взаимному влиянию потоков. Перерасчет после введения входных данных производился также многократным нажатием клавиши F9. На модели можно проследить все параметры потоков по всем ступеням, в конденсаторе, в деаэраторе и в системе регенерации (в ПВД и ПНД). Модель, конечно, была очень капризной из-за большого количества разнообразных обратных и перекрестных связей, поэтому приходилось вводить специальные своего рода буфера, чтобы модель не пошла вразнос – не выдала ошибку, вместо результата.
Нечто подобное было проделано и по имитации работы энергетического котла. Эти модели использовались для так называемого компьютерного эксперимента – задавались требуемые входные данные и наблюдали, что получится в результате их ввода. Однако я бы это назвал все же не компьютерным экспериментом, а эксплуатацией моделей. Потому что операции с моделями производились не в целях научного эксперимента, а в целях выбора параметров для работы реальных котлов и турбин. Для этого в моделях имелись элементы их настройки в соответствии с текущими характеристиками эксплуатируемых котлов и турбин.
Для рядовых пользователей из эксплуатационного персонала эти модели в части их использования были достаточно сложны. Эту проблему, в принципе, можно было бы решить, но финансирование работы было недостаточным, затем развалился Советский Союз и Курская ТЭЦ-1 оказалась в другом государстве. Затем подошел возраст... Однако это уже, видимо, не по части моделей.
Итак, компьютерное моделирование, как процесс:
условное разделение объекта на простейшие элементы;
математическое описание каждого элемента в виде формул или фрагментов, вычисляющим выходные значения по входным данным;
объединение элементов в функциональные блоки (например, для котла это топка, перегреватель, экономайзер и т.д.);
объединение блоков в общую компьютерную модель, имитирующую функционирование объекта;
отладка модели;
использование/эксплуатация модели.
Вот примерно так. Если вы проделаете все это и приложите не меньше усилий, то и достигнете успехов не меньших, чем у меня.
P.S. Мы постоянно моделируем сей бренный мир и живем в своем внутреннем мире, через призму которого и воспринимаем внешний мир. В этом внутреннем мире есть прошлое, которого уже нет, есть настоящее, которое существует и вне нас, и есть будущее (прогнозирование, предвидение), которое еще не наступило. Сравнивая прошлое и настоящее, как объекты нашего внутреннего мира, мы приходим к понятию времени. Это понятие – есть модель. Она может быть отображена в формулах и прочих математических объектах. Так же, как можно отобразить в математических объектах мнимые числа, многомерные пространства и много чего еще, не обязательно существующее в реальном мире.
Боги от науки (но не все ученые) утверждают, что время может замедляться и ускоряться. Вот только вроде бы пока не может завязываться в узел и плясать украинского гопака. Не процессы, имеется ввиду, могут ускоряться и замедляться, а само время – параметр, с помощью которого мы моделируем процесс. Из теоретических выкладок следует, что "время" замедляется с возрастанием силы притяжения Земли. Так вот, специальные сверхточные часы могут засечь разницу в показаниях часов, находящихся на верхнем и нижнем этажах небоскреба. Принеся эти часы из нижнего и верхнего этажей на средний этаж, можно обнаружить разницу в показаниях часов. Если эту разницу интерпретировать как разницу в течении времени, то получается, что одни часы доставлены из прошлого, а другие из будущего. Таким образом, у ученых мужей, которые мыслят подобным образом, голова живет в будущем, ноги в прошлом и только задница существует в настоящем.
Что в действительности думал по поводу времени великий Эйнштейн, я не знаю. Знаю только то, что он продемонстрировал человечеству свой язык.
Будьте аккуратны с использованием моделей!
Смежные темы: