Моделирование процессов функционирования технических объектов
Моделирование, как неотъемлемая, важная и наиболее сложная часть проектирования, – это, научно-обоснованный, целенаправленный и творческий процесс замещения некоторого объекта-оригинала, обладающего свойствами, изучение которых физически невозможно, затруднительно, неэкономично или небезопасно, соответствующим объектом-моделью со свойствами, сходными с оригиналом, исследование которых возможно и доступно известными существующими способами. На основе созданных моделей проводится анализ процессов в объектах-моделях с последующим переносом полученных результатов на объект-оригинал.
Моделирование, как процесс, включает две основные стадии:
разработка и создание объекта-модели;
создание необходимой моделируемой ситуации с воздействующими на модель факторами, вызывающими генерацию в ней функциональных процессов с регистрацией и анализом исследуемых параметров.
В сущности, модель – это субъективная категория, генерируемая и функционирующая либо в сознании любого мыслящего существа, либо в условиях объективной действительности.
Объектами моделирования могут быть продукты природы или человеческой деятельности, отдельные естественные или искусственные физические процессы, а также процессы экономического или социального характера.
Классифицировать модели можно по различным признакам. Мы ограничимся классификацией только по двум признакам.
По способу представления модели можно разделить на логические (мысленные) и материальные (предметные).
Логические (мысленные) модели строятся в сознании человека на основе известных фундаментальных законов природы, субъективных представлений о функционировании объекта-оригинала и исторически накопленных знаний и практического опыта. Они подразделяются на образные, знаковые и образно-знаковые.
Образные модели выражают свойства оригинала с помощью наглядных чувственных образов, отражающих формы и расположение объектов, как прообразы реального материального мира. Это мысленные представления об объектах, имеющих размеры, не воспринимаемые человеком, а также о существующих, реальных, но еще не созданных или фантастических объектах.
Знаковые модели выражают свойства оригинала с помощью условных знаков или символов. К этой группе можно отнести математические выражения, слова, отдельные знаки алфавитов и правописания, цифровые символы.
Образно-знаковые модели сочетают в себе взаимодополняющие признаки образных и знаковых моделей. Сюда относят графики, эскизы, чертежи, схемы, условные обозначения.
Материальные (предметные) модели создаются, как и любые другие модели, для целей познания, но всегда имеют реальное воплощение. Иногда их называют физическими моделями, но я не рекомендовал бы использовать этот термин, т.к. таким же термином называют математические модели, описывающие идеальные физические объекты, используемые в теоретической физике: материальная точка, идеальный газ, идеальная жидкость и т.п. Материальные модели можно подразделить на геометрические, функциональные и функционально-геометрические.
Геометрические модели отражают пространственные свойства оригинала на основе геометрического подобия оригинала и модели, что характеризуется масштабными критериями подобия, задающими постоянство соотношений соответствующих геометрических размеров.
Функциональные модели моделируют процессы и явления, происходящие в объектах-оригиналах. Подобие процессов определяется равными по величине функциональными критериями. Например, в гидромеханике и теплотехнике для оценки подобия процессов течения вязкой жидкости и конвективного теплообмена используются известные критерии Рейнольдса и Нуссельта.
Функционально-геометрические модели отражают как внешние, так и рабочие свойства оригинала в соответствии с принятыми геометрическими и функциональными критериями.
Простейшими примерами материальных моделей являются детские игрушки, глобус и другие учебные пособия.
По условиям преобразования свойств модели в свойства оригинала модели подразделяют на условные, аналоговые и математические.
Условные модели
используют для переноса и преобразования
изученных свойств модели на оригинал
по заведомо принятым условиям. Например,
пересчитываются параметры модели в
параметры оригинала из постоянства
критериев подобия. Чтобы смоделировать
течение жидкости в трубопроводе большого
диаметра на трубе диаметром в 10 раз
меньшем, при использовании той же
жидкости, необходимо обеспечить скорость
течения в 10 раз большую, чем в оригинале
(из условия равенства чисел Рейнольдса
оригинала и модели
).
Аналоговые модели в качестве основания для переноса своих свойств на оригинал используют принципы функциональной аналогии процессов и их математических описаний в различных физических системах. Речь идет об аналогии между различными переменными действия и переменными состояния в физических системах. Таким образом, становится возможным создать аналоговую электрическую модель для исследования свойств гидромеханического или теплового объекта-оригинала.
Математические модели характеризуются свойствами в форме результатов расчетов и анализа, которые могут непосредственно переноситься на оригинал в качестве соответствующих изменяющихся в пространстве и во времени физических переменных.