Отчет ИВМ СО РАН за 2009 год

Важнейшие научные достижения 2009 года

• Важнейшие научные достижения 2009 года
• Численное исследование на суперкомпьютерах колебательных процессов в средах с вращательными степенями свободы частиц
• Гипертеплопроводящие пористые структуры в блоках радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов
• Лазерное охлаждение и кристаллизация электрон-ионной плазмы
• Автомодельные решения двух задач свободной турбулентности
• Программный комплекс ЭСПЛА-ПРО для оперативной поддержки управления в чрезвычайных ситуациях
• Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для комплексной поддержки территориального управления

Авторы: д.ф.-м.н., профессор В. М. Садовский, к.ф.-м.н. О. В. Садовская, М. П. Варыгина

На основе математической модели моментного континуума Коссера, учитывающей вращательные степени свободы частиц, проведен численный анализ колебательных процессов в средах с микроструктурой под действием сосредоточенных импульсных и периодических по времени источников возмущений. Результаты расчетов пространственных задач на многопроцессорных вычислительных системах показали наличие в таких средах характерной резонансной частоты, равной частоте собственных колебаний вращательного движения частиц микроструктуры. Установлено, что эта частота зависит только от инерционных свойств частиц и не зависит от размеров исследуемого образца и граничных условий на его поверхности.

Из сопоставления рисунков (рис. 1) видно, что при частоте внешнего воздействия, равной собственной частоте вращательного движения частиц, происходит рост амплитуды со временем и более плавное затухание колебаний с удалением от точки приложения нагрузки, характерные для акустического резонанса.

Рис. 1. Задача о периодическом воздействии сосредоточенного вращательного момента: схема нагружения и поверхности уровня угловой скорости для нерезонансной (слева) и резонансной (справа) частот в различные моменты времени

Основные публикации:

1. Садовская О. В.
   Численное решение пространственных динамических задач моментной теории упругости с граничными условиями симметрии // Журнал вычислительной математики и математической физики. — 2009. — Т. 49. — № 2. — С. 313–322.

2. Варыгина М. П., Садовская О. В., Садовский В. М.
   Численное моделирование пространственных волновых движений в моментной упругой среде // I Всерос. конф. «Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой: НАНОМЕХ-2009». — Н. Новгород. — 2009. — С. 39-51. (CD-диск).

Авторы: к.ф.-м.н . В. А. Деревянко, А. В. Макуха, Д. А. Нестеров

Создание долгоресурсных космических аппаратов (КА) со сроком активного существования 15 лет и более требует, в частности, обеспечения стабильного и комфортного теплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Одним из перспективных направлений по увеличению эффективности отвода тепла в бортовой РЭА космических аппаратов является использование в качестве конструкционных элементов КА гипертеплопроводящих пористых структур (ГТПС). Они представляют собой плоскую тонкую герметичную конструкцию, содержащую пористый материал — фитиль, заполненный жидким рабочим веществом — теплоносителем (аммиак, вода и т.п.), и каналы для переноса пара (рис. 2). Перенос тепла в такой конструкции осуществляется за счет энергии фазового перехода в результате движения теплоносителя (в виде пара) от области нагрева к области конденсации и обратно (в виде жидкости) по фитилю. Эффективная теплопроводность такой конструкции на десятки раз превышает теплопроводность алюминия.

В ИВМ СО РАН в рамках выполнения Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная спутниковая система» совместно с Уральским электрохимическим комбинатом в интересах ОАО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнева разработаны, исследованы и запущены в опытное производство конструктивы блоков РЭА с гипертеплопроводящими основаниями (рис.3). Имея весовые и габаритные характеристики, аналогичные ранее применяемым алюминиевым основаниям, они позволяют уменьшить градиент температуры в 5?7 раз при увеличении тепловыделения в 5 раз (до 100 Вт) и обеспечить при этом равномерность температурного поля в пределах 2 С.

Результаты исследований позволяют приступить к внедрению ГТПС в разрабатываемые в настоящее время конструкции теплонагруженной бортовой РЭА перспективных космических аппаратов ОАО «ИСС».

Рис. 2. Внутренняя структура секции из ГТПС

Рис. 3. Образец конструкции с секциями из ГТПС

Основные публикации:

1. Деревянко В. А., Нестеров Д. А.
   Математическая модель теплопередачи в гипертеплопроводящих панелях // Материалы междунар. конф. «Тепловые трубы для космического применения». — Москва. — 2009. — C. 139–140.

2. Сунцов С. Б., Деревянко В. А., Макуха А. В., Нестеров Д. А., Буров А. Е., Иванов О. А., Косяков А. А., Матренин В. И.
   Исследование характеристик теплопередачи гипертеплопроводящих пористых структур в блоках радиоэлектронной аппаратуры с повышенным тепловыделением // Материалы междунар. конф. «Тепловые трубы для космического применения». — Москва. — 2009. — C. 155–158.

Авторы: д.ф.-м.н., профессор Н. Я. Шапарев, д.ф.-м.н., профессор И. В. Краснов, к.ф.-м.н. А. П. Гаврилюк

Построена модель и проведено исследование лазерного охлаждения и кристаллизации электрон-ионной плазмы на основе метода броуновской динамики, позволяющего учесть «тепловое» взаимодействия ионов с электронной подсистемой. Показано, что корректный расчет динамики охлаждения и значения минимальной температуры требует обязательного учета нелинейной зависимости лазерной силы трения от скорости. В результате охлаждения формируется квазикристаллическая структура, в которой устанавливается распределение ионов (в сферическом случае) в виде концентрических сфер (рис. 4). Обнаружен эффект запаздывания формирования упорядоченной структуры ионов относительно их охлаждения (рис. 5).

Рис. 4. Упорядоченное пространственное распределение ионов при лазерном охлаждении, слева — распределение частиц во внешнем слое

Рис. 5. Установившееся распределение плотности ионов n(|r|). На вставке вверху — распределение плотности в момент достижения минимальной температуры

Основные публикации:

1. Gavriliuk A. P., Isaev I. L., Karpov S. V., Krasnov I. V., Shaparev H. Ya.
   Brownian Dynamics of Laser Cooling and Crystallization of Electron-ion Plasma // Phys. Rev. E. — 2009. — Vol. 80, Issue 5. — P.056404-1.

Авторы: д.ф.-м.н., профессор О. В. Капцов, И. А. Ефремов, Г. Г. Черных

Выполнен теоретико-групповой анализ математических моделей второго порядка дальнего плоского турбулентного следа за цилиндром в пассивно стратифицированной среде и следе за нагретым цилиндром.

Рис. 6. График функции G(t), определяющей дефект температуры T в турбулентном следе. Кривая (1) — расчеты по полной модели, (2) — автомодельное решение, набор точек — экспериментальные данные. Здесь T(x,y) = G(t) / x^0.5, t = y / x^0.5

Построены автомодельные решения, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными.

Основные публикации:

1. Ефремов И. А., Капцов О. В., Черных Г. Г.
   Автомодельные решения двух задач свободной турбулентности // Математическое моделирование, 2009. — № 12. — С. 79-88.

Авторы: д.т.н., профессор Л. Ф. Ноженкова, к.т.н. В. В. Ничепорчук, к.т.н. С. В. Исаев, к.т.н. А. А. Евсюков, Р. В. Морозов, А. А. Марков

Разработан программный комплекс ЭСПЛА-ПРО для оперативной поддержки управления в чрезвычайных ситуациях (ЧС). Система интегрирует технологии геоинформационных, экспертных систем, баз данных, оперативной аналитической обработки данных для решения аналитических и оперативных задач (рис. 7).

Рис. 7. Интеграция информационных технологий в системе ЭСПЛА-ПРО

Инструментальные средства представляют собой расширяемый модульный программный комплекс, позволяющий использовать различные программные модули и информационные ресурсы в зависимости от задачи. Ядром программного комплекса является экспертная система, основанная на ситуационном подходе, с фреймовой моделью представления знаний. В момент чрезвычайной ситуации она формирует необходимые решения по управлению в ЧС, обращаясь к другим модулям системы. Необходимая информация о районе ЧС и характеристиках привлекаемых формирований извлекается из баз данных и баз знаний; последствия ЧС моделируются подсистемой динамического геоинформационного моделирования с применением расчетных методик. Рекомендации по действиям в ЧС формируются на основе баз знаний. Процесс вывода представляет собой эстафету присоединенных процедур, которые автоматически вызывают необходимые модули системы. Средства геоинформационного моделирования позволяют оперативно отображать обстановку на картах местности (рис. 8). Для оперативной аналитической обработки многомерных данных используется технология OLAP. Средства OLAP обеспечивают высокую скорость работы с данными при выполнении аналитических операций, наглядное представление результатов и оперативное построение отчетов. С применением разработанных оригинальных средств созданы и внедрены прикладные системы по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Рис. 8. Поддержка принятия решений в кризисных ситуациях

Основные публикации:

1. Ноженкова Л. Ф.
   Информационно-аналитические технологии и системы поддержки регионального управления // Вычислительные технологии. — 2009. — Т. 14. — № 6 — С. 71-81.

2. Ноженкова Л. Ф., Исаев С. В., Ничепорчук В. В., Евсюков А. А., Морозов Р. В., Марков А. А.
   Применение экспертной ГИС для анализа пожарной обстановки в Красноярском крае // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2009. — № 2. — С. 75-85.

3. Ничепорчук В. В., Ноженкова Л. Ф.
   ЭСПЛА-ПРО — система комплексной поддержки управления в кризисных ситуациях // Материалы XI Всерос. научн.-практ. конф. «ПИР-2009». — Красноярск: РИЦ СибГТУ. — 2009. — С. 195–199.

Авторы: д.т.н., профессор Л. Ф. Ноженкова, к.т.н. Т. Г. Пенькова, к.т.н. К. В. Бадмаева, к.т.н. О. С. Исаева, к.т.н. Д. В. Жучков, к.т.н. А. И. Ноженков, к.т.н. А. А. Евсюков, к.т.н. С. В. Исаев, Д. Д. Кононов

Созданы оригинальные модели, методы, алгоритмы и инструментальные средства, позволяющие в короткий срок создавать интегрированные прикладные системы для комплексной поддержки территориального управления. Разработана методика комплексной поддержки процессов подготовки, формирования и реализации решений в территориальном управлении. Предложен индексный метод оценивания уровня благополучия территории. Создана когнитивная модель формирования управляющих рекомендаций. Разработан метод генерации текстовых документов, основанный на интеграции технологических средств управления документами со средствами OLAP-моделирования и управления данными. Разработана методика адаптивного управления процессом проектирования и развития хранилищ данных путем оценивания общей стоимости материализации представлений. Выполнена программная интеграция технологий традиционных баз данных с веб-технологиями. Создана унифицированная информационная оболочка (рис. 9) для комплексной поддержки процессов планирования, размещения и контроля расходования бюджетных средств в рамках процедур организации муниципальных и государственных заказов.

Рис. 9. Унифицированная информационная среда

Основные публикации:

1. Ноженкова Л. Ф.
   Информационно-аналитические технологии и системы поддержки регионального управления // Вычислительные технологии. — 2009. — Т. 14. — № 6. — С. 71-81.

2. Ноженкова Л. Ф., Евсюков А. А., Ноженков А. И.
   Методы управления и геоинформационного моделирования в технологии OLAP // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. — 2009. — Vol. 1. — № 2. — С. 49-58.

3. Korobko A., Penkova T.
   OLAP-modeling of municipal procurement automation support problem // Proc. «Knowledge and Ontology *ELSEWHERE*" 17-th Int. Conf. on Conceptual Structures (ICCS'09). — 2009. — Р. 87-91.

4. Исаева О. С.
   Методы оперативного анализа медико-демографических данных // Вычислительные технологии. — 2009. — Т. 14. — № 1. — С. 85-93.

5. Кононов Д. Д., Исаев С. В., Исаева О. С.
   Средства интернет-поддержки муниципального заказа // Вестник компьютерных и информационных технологий. — 2009. — № 10. — С. 42-50.

6. Пенькова Т. Г.
   Модели и методы оперативного формирования документов // Вычислительные технологии. — 2009. — Т. 14. — № 2. — С. 98–109.

7. Бадмаева К. В.
   Алгоритм оценки релевантности представлений для материализации в специализированном хранилище данных // Вестник СибГАУ. — 2009. — Вып. 1(22). — Ч. 2. — С. 60-64.