Введение к работе
Актуальность. Внутреннее строение материи, взаимосвязь атомарных частиц и их поведение является предметом исследования в физике, химии, биологии, нанотехнологии (Н. Кобаяси, П. Харрис, Дж. Уайтсайдс). В частности область аэрозольных нанотехнологии (В.Н. Аликин, А.В. Вахрушев, В.Б. Голубчиков, A.M. Липанов, СЮ. Серебренников, А. Мелешко, С. Половников) имеет на сегодняшний момент большое значение в сельском хозяйстве и промышленности. Наиболее важные характеристики нанообъектов вызваны принципиально новыми явлениями, протекающими на наноуровне. Использование особенностей нанообъектов позволяет улучшить свойства существующих материалов или получить качественно новые.
Для создания любого нанообъекта необходимо детально разобрать его структуру и характер поведения, однако непосредственное наблюдение за процессами, протекающими в наномире, не всегда является возможным. Для этого используется компьютерное моделирование и компьютерный эксперимент. Существующие модели нанообъектов и приближения широко используются в исследованиях аэрозольных нанотехнологии, в то же время при использовании таких моделей возникает потеря точности с течением времени, зависящая от мощности вычислительных ресурсов.
Степень разработанности проблемы. В области аэрозольных нанотехнологии применяются методы моделирования, недостатками которых являются большое время счёта и неустойчивые алгоритмы. Максимально возможный интервал времени интегрирования при этом не превышает 1 не (1015 шагов), что недостаточно для масштабного исследования процессов, протекающих в нанообъектах.
Альтернативой является использование методов Гамильтоновой механики и канонического метода интегрирования, где влияние процесса счёта рассматривается как некоторое бесконечно малое возмущение исследуемой системы. Использование этих методов позволит исследовать многомерные и многочастичные системы с числом структурных единиц 104 ~ 106 с высокой точностью и производительностью.
Объектом исследования являются методы и средства компьютерного моделирования нанообъектов.
Предметом исследования является канонический метод интегрирования для исследования динамики нанообъектов.
Целью работы является повышение точности, адекватности и производительности компьютерного моделирования при исследовании нанообъектов путём использования метода консервативных возмущений.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Анализ нанообъектов, их структуры и ограничений.
-
Разработка метода, позволяющего учитывать воздействие консервативных возмущений на динамику нанообъектов.
-
Анализ и систематизация потенциалов межчастичного взаимодействия нанообъектов и консервативных возмущений.
-
Разработка устойчивых и быстродействующих алгоритмов для исследования многочастичных и многомерных нанообъектов.
-
Создание компьютерной модели для исследования нанообъектов, обработки экспериментальных данных и их визуализации.
-
Проведение и анализ компьютерного эксперимента.
Методы исследования. В работе использованы теоретические и численные методы исследования на основе фундаментальных результатов гамильтоновой механики, теории канонического интегрирования и канонической теории возмущений. В практической части исследования использованы основные методы компьютерного моделирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Достоверность теоретических результатов обеспечивается корректной формулировкой математических моделей. В основу теоретических методов положены основные результаты гамильтоновой механики и теории возмущений. Достоверность результатов численного интегрирования и компьютерного эксперимента подтверждаются их совпадением с известными результатами в области исследования аэрозольных нанотехнологий.
На защиту выносятся:
-
Метод консервативных возмущений для исследования динамики нанообъектов.
-
Систематизация потенциалов взаимодействия и консервативных возмущений.
-
Методы увеличения производительности компьютерного эксперимента за счёт использования алгоритмов канонического интегрирования.
-
Программный комплекс для исследования многомерных и многочастичных нанообъектов.
5. Результаты компьютерного эксперимента.
Научная новизна работы диссертационной работы:
-
Впервые разработан метод консервативных возмущений для исследования многомерных и многочастичных нанообъектов.
-
Введена функция возмущения как мера интенсивности консервативных возмущений.
-
Получены компьютерные алгоритмы, обеспечивающие повышение точности, производительности и адекватности компьютерного эксперимента.
-
Разработана компьютерная модель, реализующая метод консервативных возмущений.
Научная апробация результатов исследования. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на 2-ой Всероссийской конференции молодых учёных, преподавателей, аспирантов и студентов «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки, технологии и техники» (г. Чайковский, 2007г.), XIII Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики"
(г. Сочи, 2010 г.), 3-ей международной теоретической и практической конференции «Открытые системы - 2011» (г. Ростов-на-Дону, 2011г.), на 10-ой и 11-ой выставках-сессиях инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов и аспирантов (г. Ижевск, 2011г.), на экспозиции Министерства образования и науки Российской Федерации на выставке информационных коммуникационных технологий «SOFTOOL-2011» (г. Москва, 2011г.), на экспозиции Министерства образования и науки Российской Федерации на международной выставке информационных технологий (г. Ганновер, 2012г.), IX Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (г. Москва, 2012г.), X Всероссийской научно-практической конференции (г. Йошкар-Ола, 2013г.). Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Положительные результаты использования метода консервативных возмущений для исследования динамики нанообъектов, позволяют утверждать перспективность его внедрения в различные области нанотехнологии и молекулярной динамики.
Разработанный автором программный комплекс был использован в методическом обеспечении спецкурса «Компьютерное моделирование физических процессов» для специальности «АСОИиУ».
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, по теме «Разработка модели автоматизированной системы интеграции открытых виртуальных лабораторных комплексов», ГК № 02.740.11. 0658 от 29.03.2010
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 18 публикациях, в том числе в 3 работах в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, библиографического списка, включающего 155 наименований, работа изложена на 147 листах машинописного текста, содержит 77 рисунков и 3 таблицы.
Похожие диссертации на Разработка информационно-аналитической системы для исследования нанообъектов
