Моделирование потоков вязких жидкостей с использованием систем клеточных автоматов

Роль гидродинамических процессов в современной технике и технологиях. Необходимость использования компьютерных методов при моделировании. Обзор дискретных моделей решетчатых газов. Соответствие реальных величин параметрам модели. Программное обеспечение.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 22.04.2012
Размер файла 1,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

6.1 Моделирование потока без препятствий при различных параметрах жидкости

Проведем ряд экспериментов по моделированию потока жидкости без препятствий, в ходе которых будет использоваться постоянное соотношение реальных и модельных величин. В качестве начальных параметров выбраны параметры воды. Они приведены в таблице 2. Результаты моделирования приведены на рисунке 26

Таблица 2 Эксперимент 1. Параметры жидкости

Длина потока, м

5

Ширина потока, м

2

Начальная скорость, м/c

2

Кинематическая вязкость, кв.м/c

1E-6

Плотность, кг/куб.м

1000

Молярная масса, кг/моль

0,018

Мы можем наблюдать, что поток имеет цвет оттенка красного. Это означает, что направление скорости близко к 0 градусов, то есть поток движется вправо. Также на рисунке видно, что у стенок форма потока скругляется, то есть имеет более светлый оттенок. Это говорит о том, что распространение потока у стенки происходит медленнее. Также на рисунке в передней части потока наблюдаются вертикальные полосы. Это говорит о том, что модули скорости соседник клеток при движении жидкости значитально отличаются.

Увеличим вязкость жидкости на два порядка. Новые параметры жидкости приведены в таблице 3. Результаты моделирования представлены на рисунке 27.

Таблица 3Эксперимент 2. Параметры жидкости

Длина потока, м

5

Ширина потока, м

2

Начальная скорость, м/c

2

Кинематическая вязкость, кв.м/c

1E-4

Плотность, кг/куб.м

1000

Молярная масса, кг/моль

0,018

В отличие от предыдущего эксперимента, на этом рисунке мы не наблюдаем вертикальных полос. Это говорит о том, что при движении вязкой жидкости скорость в потоке по направлению движения одинакова. Белая полоса у верхней и нижней границ потока стала шире, то есть вязкая жидкость сильнее тормозится у стенок.

Увеличим скорость движения жидкости. Новые параметры жидкости приведены в таблице 4. Результаты моделирования представлены на рисунке 28.

Таблица 4 - Эксперимент 3. Параметры жидкости

Длина потока, м

5

Ширина потока, м

2

Начальная скорость, м/c

4

Кинематическая вязкость, кв.м/c

1E-4

Плотность, кг/куб.м

1000

Молярная масса, кг/моль

0,018

Можно видеть, что рисунок стал более ярким, то есть скорость увеличилась. Но форма рисунка осталась прежней. Увеличение скорости не повлияло на взаимодействие со стенками и с неразогнанной частью потока.

6.2 Моделирование различных видов препятствий

Рассмотрим протекание жидкости через щель (рисунок 29) и сравним его с течением жидкости без препятствий при тех же параметрах (рисунок 27).

Сравнивая рисунки, можно заметить, что скорость до и после щели значительно ниже скорости аналогичной жидкости, движущейся без препятствий. В то время как скорость потока внутри щели очень высока. При этом на выходе из потока отчетливо видно изменение цвета ячеек вплоть до голубого цвета, что говорит о том, что жидкость меняет направление вплоть до противоположного движению основной части потока, что свидетельствует о возникновении турбулентности на выходе из щели.

Рассмотрим обтекание небольших препятствий (рисунок 30). За препятствиями мы можем наблюдать возникновение небольших турбулентных вихрей, так называемых дорожек Кармана.

Заключение

В ходе выполнения квалификационной работы были рассмотрены различные подходы к моделированию движения сплошной среды, в том числе с учетом возникновения турбулентности. Среди них был выбран метод решетчатого газа Больцмана.

Для реализации и дальнейшего изучения этого метода было создано приложение, моделирующее движение жидкости в двухмерном пространстве по вышеуказанному методу.

Данное приложение позволяет отслеживать поведение жидкости при различных параметрах, таких как вязкость, плотность, молярная масса и скорость. Также приложение позволяет варьировать размеры моделируемого потока и помещать в него препятствия.

Приложение позволяет отслеживать изменение поля скоростей во времени, визуализируя течение потока, а также сохраняя результаты моделирования в текстовый файл.

Над реализованной моделью был проведен ряд экспериментов, связанных с изменениями параметров жидкости и наблюдением за обтекание жидкостью препятствий.

В ходе экспериментов было установлено, что при движении жидкости ее скорость уменьшается вблизи стенок, причем с увеличением вязкости жидкости уменьшение скорости у стенок более значительно, что соответствует аналитическим и эмпирическим представлениям о движении реальной жидкости.

Также при движении жидкости наблюдались турбулентные потоки при обтекании препятствий, в том числе вихри на выходе из щели и вихревые дорожки Кармана.

Наличие таких дорожек свидетельствует о соответствии результатов имитационного моделирования физическому эксперименту и доказывает адекватность данного вида моделирования и возможность его применения для имитации турбулентных потоков.

Список использованных источников

1 Сухинов Антон. История гидродинамики /Антон Сухинов - http://iproc.ru/interesting/hydro-history/ (20.10.2010). Сайт «Image Processing»

2 Dieter A. Wolf-Gladrow. Lattice-Gas Cellular Automata and Lattice Boltzmann Models-An Introduction /D. A. Wolf-Gladrow; Germany - 2005. - 302c.

3 Статистическая физика. http://ru.wikipedia.org/wiki (31.10.2010). Сайт «Википедия»

4 Моделирование физических процессов и явлений на ПК: Учеб.пособие / Медведев Д. А. [и др.] - Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2010. --

101 с. - ISBN 978-5-94356-933-3

5 Qin R.S. Case Study: Flow Models /R.S. Qin; Institute of Ferrows Technology, Postech.

6 Тоффоли Т. Машины клеточных автоматов: Пер. с англ./Т.Тоффоли, М. Марголус; М.: Мир, 1991.

7 Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа/Л.Г. Лойцянский; М.: Наука, 1978.

8 Сухарев М. Delphi. Полное руководство. Включая версию 2010. / М. Сухарев; Спб.: Наука и Техника, 2010. - 1040с.

9 Бобков С.П. Моделирование плоскопараллельного течения жидкости с использованием клеточных автоматов. Современные наукоемкие технологии (региональные приложения), 2008, №3, с. 59-114.

10 Бобков С.П. Моделирование основных процессов переноса с использованием клеточных автоматов. Известие вузов «Химия и хим. технол.», 2009, т.52, вып. 3, с. 109-114.

11 Монин А. С. Статистическая гидромеханика. Ч.1/ А.С, Монин, А.М. Яглом; М.: Наука, 1965.

Приложение

Класс «Клеточный автомат»

TCA = class (TObject)

private

X :integer; //номер последней ячейки по горизонтали

Y :integer; //номер последней ячейки по вертикали

Relax_Time : real; //времярелаксации

public

Cells : array of array of TCell;

constructor Create(X,Y : integer; C : TCellsType); //конструктор

procedureSetRelax_Time(Viscosity : real); //установкавременирелаксации

procedureCulc_Distrib(); //расчет плотности распределения по всем ячейкам

procedureCulc_Eq_Distrib(); //расчет равновесного распределения по всем ячейкам

procedureCulc_Speed_Dens(); //расчет скорости и плотности по всем ячейкам

procedureMove(); //перемещения распределения скоростей

procedureEqToDisrtib(); //приравнивание распределение равновесному

procedure Iteration(); //итерация

end;

Класс «Ячейка»

TCell = class (TObject)

public

SpeedX :real; //скоростьпоосиX

SpeedY :real; //скорость по оси Y

absU :real; //модуль скорости

Angle :real; //угол скорости [0..360)

Density : real; //плотность

Channels : array [0..8] of TChannel;

constructor Create();

procedureCulc_Speed(); virtual; //расчетскорости

procedureCulc_Density(); virtual; //расчетплотности

procedureCulc_Distrib(Relax_Time: real); virtual; //расчетплотностираспределенияскоростей

procedureCulc_Eq_Distrib(); //расчет равновесного распределения

procedureEqToDisrtib(); //установка распределения равным равновесному

procedureSetabsU(); //расчет модуля скорости

procedureSetAngle(); //расчет угла скорости

end;

Содержание носителя данных

- исполняемый файл CA.exe;

- папка pic, содержащая шкалу HUE;

- папка save, содержащая файлы с шаблонами потоков, а также файл Iteration.txt для хранения результатов работы клеточного автомата в текстовом виде;

- папка CAс исходным кодом приложения;

- файл Чернявская - Пояснительная записка.docx, содержащий пояснительную записку к дипломной работе;

- файл Чернявская - Презентация.pptxс электронными слайдами;

- видеоролик с демонстрацией работы приложения Дорожки Кармана.avi.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Обзор методов составления математических моделей систем автоматического управления. Математические модели системы в векторно-матричной форме записи. Моделирование в пакете программы Simulink. Оценка устойчивости системы, рекомендации по ее применению.

    курсовая работа [514,5 K], добавлен 10.11.2011

  • Использование клеточных автоматов для моделирования гидродинамических и газодинамических течений. Применение клеточных автоматов в информатике. Основные правила и виды фигур, правила игры "Жизнь". Реализация эффективной системы распознавания образов.

    научная работа [740,4 K], добавлен 23.06.2015

  • Основное направление исследования клеточных автоматов. Математическое определение автоматов. Классификация по типам поведения. Тоталистичные клеточные автоматы. Создание и визуализация в Excel математической модели распространения лесного пожара.

    курсовая работа [234,9 K], добавлен 01.11.2014

  • Исследование метода математического моделирования чрезвычайной ситуации. Модели макрокинетики трансформации веществ и потоков энергии. Имитационное моделирование. Процесс построения математической модели. Структура моделирования происшествий в техносфере.

    реферат [240,5 K], добавлен 05.03.2017

  • Имитационное моделирование деятельности "Центра обслуживания абонентов". Диаграммы потоков данных. Выявление вариантов использования. Моделирование видов деятельности и взаимодействий. Проектирование пользовательского интерфейса и архитектуры приложения.

    дипломная работа [1,3 M], добавлен 24.10.2010

  • Понятие сетей Петри, их применение и возможности. Сетевое планирование, математические модели с использованием сетей Петри. Применение сетевых моделей для описания параллельных процессов. Моделирование процесса обучения с помощью вложенных сетей Петри.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 17.11.2009

  • Основные сведение о системе моделирования GPSS и блоки, используемые при моделировании одноканальных и многоканальных систем массового обслуживания. Разработка модели работы ремонтного подразделения в течение суток с использованием программы GPSS World.

    курсовая работа [36,4 K], добавлен 11.02.2015

  • Идентификация реальных объектов, выбор и обоснование вида моделей. Динамическая система. Периоды и фазы клеточного цикла, контрольные точки, нарушение, значение, продолжительность. Регуляции перехода фаз. Компьютерное моделирование системе в пакете MVS.

    дипломная работа [2,0 M], добавлен 17.02.2014

  • Особенности и принципы безопасности программного обеспечения. Причины создания вирусов для заражения компьютерных программ. Общая характеристика компьютерных вирусов и средств нейтрализации их. Классификация методов защиты от компьютерных вирусов.

    реферат [21,7 K], добавлен 08.05.2012

  • Общие сведения о математических моделях и компьютерном моделировании. Неформальный переход от рассматриваемого технического объекта к его расчетной схеме. Примеры компьютерного моделирования простейших типовых биотехнологических процессов и систем.

    реферат [25,9 K], добавлен 24.03.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.