Моделирование потоков вязких жидкостей с использованием систем клеточных автоматов
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
Дипломная работа
Моделирование потоков вязких жидкостей с использованием систем клеточных автоматов
Введение
Целью работы является изучение подходов к моделированию турбулентных потоков, а также создание программного приложения, с помощью позволяющего смоделировать и визуализировать движение сплошной среды в двухмерном пространстве.
Работа включает научно-исследовательскую часть, заключающуюся в изучении различных подходов к моделированию движения сплошной среды и выбора методики, которая будет применена в данной работе. Также работа содержит техническое задание на разработку приложения, технический проект и рабочую документацию. В работе приведены результаты имитационного моделирования жидкости при помощи созданного приложения. Также имеются введение и заключение.
Определения
В настоящем отчете применяют следующие термины с соответствующими определениями:
ГИДРОДИНАМИКА - раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкости и газа.
ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ - течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ - явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии.
КЛЕТОЧНЫЙ АВТОМАТ - набор клеток, образующих некоторую периодическую решетку с заданными правилами перехода, определяющими состояние клетки в следующий момент времени через состояние клеток, находящимися от нее на расстоянии не больше некоторого, в текущий момент времени.
Обозначения и сокращения
КА - клеточный автомат- клеточный автомат по модели решетчатого газа (LatticeGasCellularAutomata)- частный случай модели LGCA, предложенный Харди, Пацисом и Помо (Hardy, dePazzis, Pomeau) в 1973 году - частный случай модели LGCA, предложенный Фришем, Хасслаэром и Помо (Frisch, Hasslacher, Pomeau) в 1986 году- оператор столкновений, предложенный Бхатнагаром, Гроссом и Круком (Bhatnagar,Gross, Croock)(англ. Hue, Saturation, Value - тон, насыщенность, значение)- цветовая модель, в которой координатами цвета являются цветовой тон, насыщенность и яркость.
Введение
Моделирование движения жидкостей и газов является очень важной прикладной задачей при исследовании процессов в промышленных аппаратах. Эта задача относится к механике сплошных сред и привлекает пристальной внимание исследователей.
Существует множество теорий, описывающих движение сплошной среды. К ним относятся представления классической гидродинамики, статистической физики, различные эмпирические теории.
Увидеть реальную картину протекания жидкости и образования в ней турбулентных вихрей позволяет только физический эксперимент, заключающийся в подкрашивании жидкости.
Однако, с развитием вычислительной техники, получила свое развитие новая методика, способная заменить реальный эксперимент компьютерным моделированием.
В основе такого моделирование лежит концепция клеточных автоматов. На ее основе было создано несколько различных подходов к моделированию жидкости. Однако наиболее современным подходом является моделирование, основанное на объединении концепции клеточных автоматов и статистической физики, в частности, с моделью решетчатого газа Больцмана.
Целью данной работы является краткий сравнительный анализ существующих подходов к моделированию течения вязкой жидкости, подробное изучение метода решетчатого газа Больцмана и создание на его основе программного приложения, позволяющего осуществлять расчет движения вязкой жидкости и производить визуализацию результата.
1.Формирование требований
1.1Роль гидродинамических процессов в современной технике и технологиях
Еще задолго до становления гидродинамики как науки гидродинамические процессы активно исследовались и использовались. Люди строили сложные системы вентиляции, трубопроводы и фонтаны, активно развивалось мореплавание.
В современном мире роль гидродинамики трудно переоценить. Ее приложения затрагивают самые разнообразные сферы человеческой деятельности. Исследование океанических течений и атмосферы применяется при проектировании летательных аппаратов и водных средств, а также при решении практически всех задач метеорологии. В исследования природных ресурсов гидродинамика применяется в частности при изучении фильтрации грунтовых вод и нефти в подземных месторождениях. Гидродинамические процессы необходимо учитывать при расчете трубопроводов, гидротурбин и насосов. Исследование движения малых объемов жидкости (микрогидродинамика) применяется, например, в струйной печати.
Задачи гидродинамики тесно связаны с другими прикладными разделами физики. Одной из таких смежных задач является задача тепломассообмена, которая возникает, например, при проектировании трубопроводов, предназначенных для передачи горячей жидкости. В данном случае на классическую задачу движения жидкости накладывается задача распространения тепла.
При изучении химических процессов и аппаратов важно учитывать ре?/p>