Введение к работе
Актуальность темы. Вода входит в состав подавляющего большинства объектов живой и неживой природы, а также является непременным участником бесчисленного множества естественных и техногенных процессов. Кроме того, ее поистине планетарная роль определяется широким набором необычных физико-химических свойств. Подобное положение вещей вызывает непреодолимый интерес к всестороннему изучению микроскопических параметров как отдельно взятой молекулы Н20, так и ее молекулярных комплексов, образующихся за счет возникновения водородных связей, -конгломератов и кластеров.
На текущий момент имеется достаточно четкое представление о свойствах газов и твердых тел, однако до сих пор отсутствует единая точка зрения в вопросе реальной молекулярной структуры исследуемой жидкости. Относительная бедность научной информации объясняется невероятной сложностью протекающих в ней процессов, для адекватного описания которых необходимы методы регистрации молекулярных и надмолекулярных процессов в широком диапазоне времен - от 10" до единиц секунд.
Одним из наиболее приемлемых способов получения адекватной информации о свойствах и молекулярной структуре Н20 является разработка эффективных математических методов, согласующихся с существующими экспериментальными и теоретическими моделями. При этом применение классических трактовок для описания происходящих в воде поляризационных явлений, возникающих под действием слабого электромагнитного поля, оказывается неэффективным в силу того, что они не учитывают возможность образования молекулярных ассоциатов (Н20)п и, следовательно, не имеют описания ее релаксационной поляризации.
Анализ существующих в настоящее время теоретических моделей релаксационной поляризации показал, что ни одна из них не позволяет получить количественного или качественного согласия с данными физических экспериментов. Таким образом, разработка адекватной теоретической модели релаксационной поляризации воды, позволяющей лучше понять природу процессов, происходящих в жидком диэлектрике, является актуальной научно-технической проблемой.
Основные разделы диссертации выполнялись в рамках тематики госбюджетных НИОКР АмГУ: «Математическое и имитационное моделирование процессов и динамических систем» (2005-2009 гг., гос. № 0120.0503820); «Компьютерное моделирование характеристик природных и технических систем» (2010-2014 гг., гос. № 0120.1053818).
Основная цель проведенного исследования заключалась в разработке интегрированной совокупности вычислительных средств, позволяющей моделировать поляризационные свойства воды, адекватные данным физических экспериментов.
Для достижения поставленной цели была рассмотрена возможность нахождения новых решений для ряда базовых задач:
-
Поиск наиболее эффективной математической модели комплексной диэлектрической проницаемости воды, позволяющей связывать микропараметры ее молекулярной структуры с исследуемыми макросвойствами.
-
Разработка математической модели релаксационной поляризации воды, адекватной наблюдаемым экспериментальным данным.
-
Компьютерное моделирование диэлектрических спектров воды в широком диапазоне частот внешнего электрического поля малой амплитуды.
-
Создание программного продукта, предназначенного для визуализации наноструктуры молекулярных ассоциатов воды, основанной на утилитарном моделировании ее соответствующих диэлектрических спектров.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались следующие достаточно известные подходы: математический аппарат передаточных функций и их частотных аналогов; способ построения структурных схем и их эквивалентных преобразований; метод прямых итераций; общие методы математического моделирования; общие принципы алгоритмизации и функционального программирования.
Защищаемые положения:
-
Кибернетическая модель релаксационной поляризации воды, позволяющая эффективно описывать структурно-сложную конфигурацию изучаемой системы без применения громоздких квантово-механических расчетов.
-
Численный метод эффективного параметрического синтеза предлагаемой математической модели, реализуемый путем итерационного перебора только двух ее физических параметров.
-
Алгоритмическая и программная реализация совокупности используемых вычислительных методик, ориентированная на кратковременные компьютерные расчеты, что позволяет использовать для решения рассматриваемых задач обычные пользовательские вычислительные ресурсы.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
На базе кибернетической модели упругой электронной поляризации молекулы воды реализована новая, теоретически обоснованная компьютерная визуализация ее электронно-атомной структуры.
-
С помощью вышеназванной модели оригинально рассчитан момент инерции пятимолекулярного тетраэдрического конгломерата воды.
-
В рамках использования предлагаемого каскадного метода прямых итераций, примененного для расчета динамических параметров релаксационной поляризации воды, определено значение собственного дипольного момента ее молекулы, близкое к результатам квантового расчета.
-
Установлена зависимость диэлектрических спектров воды от ее структуризации молекулярными ассоциатами различной конфигурации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов непосредственно подтверждаются высоким соответствием моделируемых кривых вещественной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости воды данным физических экспериментов.
Практическая значимость основных результатов проведенного исследования состоит в том, что общая совокупность полученных математических моделей и используемых вычислительных методик позволяет осуществлять компьютерное моделирование диэлектрических спектров воды в области релаксационной поляризации, адекватных их физическим аналогам. Кроме того, на базе предлагаемых математических моделей разработаны и официально зарегистрированы три полезные модели и две программы для ЭВМ.
Использование результатов диссертации осуществлено их внедрением в научно-исследовательскую деятельность Дальневосточного научного центра физиологии и патологии дыхания Сибирского отделения РАМН (г. Благовещенск), а также в учебный процесс кафедры информационных и управляющих систем Амурского государственного университета.
Апробация результатов диссертации была проведена на 9 международных и одной всероссийской научных конференциях и семинарах, среди которых: 52-я Всероссийская научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2009); XVI Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии» (Томск, 2010); XXIII и XIV Международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010; Пенза, 2011); I Международная научно-практическая конференция «Суперкомпьютеры: вычислительные и информационные технологии» (Хабаровск, 2010); XL VIII Международная научная конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010); V Международная научно-техническая конференция «Аналитические и численные методы моделирования естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2010); VII Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2011); Международная заочная научная конференция «Актуальные вопросы технических наук» (Пермь, 2011); Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии и высокопроизводительные вычисления» (Хабаровск, 2011).
Публикации по теме проведенного исследования представлены 25 печатными работами, в числе которых 10 статей [1-Ю], опубликованных в отечественных журнальных изданиях, рекомендованных ВАК; 10 тезисов и материалов докладов на международных и всероссийских научных конференциях, три патента на полезные модели [11-13] и два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ [14-15].
Личный вклад автора диссертации заключается в поиске аналитических соотношений, пропорционально связывающих динамические коэффициенты частоты собственных колебаний и коэффициента их затухания на основании качественного анализа физических спектров воды.
Участие соискателя в подготовке работ, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем. В публикациях [1-3, 8] ему принадлежит идея визуализации трехмерных многомолекулярных ассоциатов воды. В статьях [4, 9, 10] им описаны способы определения численных значений собственных и динамических параметров исследуемого образца. В работах [5-6] представ-
лены полученные диссертантом результаты моделирования поляризационных характеристик элементарных водных клатратов. Работа [7] базируется на результатах вычислительных экспериментов, проведенных непосредственно соискателем на базе использования авторской разработки алгоритма каскадного метода прямых итераций и ее программной реализации.
Структура и объем работы. Рукопись диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений. Ее основной объем - 139 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков, 3 таблицы и 140 наименований библиографических ссылок.
