Применение вычислительного эксперимента

В современной науке и технике появляется все больше областей, задачи в которых можно и нужно решать методом вычислительного эксперимента, с помощью математического моделирования. Обратим внимание на некоторые из них.

Энергетическая проблема. Прогнозирование атомных и термоядерных реакторов на основе детального математического моделирования происходящих в них физических процессов. Вычислительный эксперимент тесно сопрягается с натурным экспериментом и помогает, заменяет и удешевляет весь исследовательский цикл, существенно его ускоряя.

Космическая техника. Расчет траекторий летательных аппаратов, задачи обтекания, системы автоматического проектирования.

Обработка данных натурного эксперимента, например радиолокационных данных, изображений со спутников, диагностика плазмы.

Здесь очень важной оказывается проблема повышения качества приборов, и в частности измерительной аппаратуры. Между тем в настоящее время показано, что, используя измерительный прибор среднего качества и присоединив к нему ЭВМ, можно на основе специального алгоритма получить результаты, которые дал бы измерительный прибор очень высокого качества.

Технологические процессы. Получение кристаллов и пленок, которые нужны, в том числе, и для создания вычислительной техники, для решения проблем в области элементной базы (что невозможно без математического моделирования); моделирование теплового режима конструктивных узлов перспективных ЭВМ, процессов лазерной плазмы, технологии создания материалов с заданными свойствами.

Экологические проблемы. Вопросы прогнозирования и управления экологическими системами могут решаться лишь на основе математического моделирования, поскольку эти системы существуют в «единственном экземпляре».

Гео- и астрофизические явления. Моделирование климата, долгосрочный прогноз погоды, землетрясений и цунами, моделирование развития звезд и солнечной активности, фундаментальные проблемы происхождения и развития Вселенной.

Химия. Расчет химических реакций, определение их констант, исследование химических процессов на макро- и микроуровне для развития химической технологии.

Биология. Особо следует отметить интерес к математическому моделированию в связи с изучением фундаментальных проблем этой науки (генетики, морфогенеза) и разработкой новых методов биотехнологии.

Существуют три проблемы биотехнологии, решение которых имеет огромное научное и прикладное значение:

1) оптимизация установок по производству кормового белка;

2) производство этанола, метанола – проблема горючего;

3) производство лекарств.

Современная биотехника – это новая крупномасштабная отрасль промышленности с новым рабочим телом – средой из клеток. Существует альтернатива – развитие технологии в этой области методом проб и ошибок, то есть многолетнее, без гарантии успеха или моделирование и оптимизация процессов.

Классической областью математического моделирования является физика. До недавнего времени в физике микромира (в квантовой теории поля) «вычислительный эксперимент» не применялся, так как было принято использовать метод малого параметра, каким является постоянная тонкой структуры. Однако сейчас физики-теоретики пришли к выводу, что процессы в микромире сильно нелинейны, поэтому необходимо переходить к численным методам, и для этой цели даже разрабатываются специальные компьютеры.

Анализ математических моделей с помощью вычислительного эксперимента с каждым годом завоевывает новые позиции. В 1982 г. Нобелевская премия по физике была присуждена К. Вильсону, предложившему ряд фундаментальных моделей в теории элементарных частиц и критических явлений, которые необходимо исследовать численно.

В 1979 г. Нобелевской премии по медицине была удостоена работа в области вычислительной томографии (восстановление объемного предмета по набору его сечений).

В 1982 г. Нобелевской премией по химии отмечена работа, в которой методами вычислительной томографии восстанавливалась структура вируса по данным электронной микроскопии.

Список использованной литературы

1. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Моделирование технологических процессов» для студентов КазНТУ имени К.И.Сатпаева по специальности 050721 – «Химическая технология органических веществ». Составитель: Елигбаева Г.Ж. Алматы: КазНТУ, 2008. 52 с.

2. http://bourabai.ru/library/cm.pdf

3. Гартман Т. Н., Клушин Д. В. Основы компьютерного моделирования химико- технологических процессов. Учебное пособие для вузов. –М: Академика, 2006. -416с.

4. Барабанов Н. Н. Математическое моделирование процессов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Барабанов Н. Н., Шариков Ю. В. Владимир 1987. 96 с.

5. Кафаров В. В. Математическое моделирование основных аппаратов химических производств: Учебное пособие для вузов. /Кафаров В. В., Глебов М. Б. М: Высшая школа, 1991, 400 с.