1.4.4 Специфика программной реализации математических моделей рабочего процесса металлургических печей

Завершая изложение основных методов математического описания рабочего процесса металлургических печей, отметим, что за последние несколько лет вычислительная гидродинамика и вычислительная теплофизика превратились в мощный инструмент исследования печных агрегатов. Разработки в этом направлении проводят довольно многочисленные научные группы и организации.

По мнению авторов работы /27/ существенный прогресс в математическом моделировании может быть достигнут только в направлении использования единой программы или серии программ несколькими научными группами. Это будет способствовать развитию фундаментальных и прикладных вопросов металлургической теплотехники. Именно в этом случае исследователи смогут сосредоточить свое внимание, знания и талант на физике процессов, а не на вопросах отладки программ, создания пользовательского интерфейса, хранения информации, визуализации результатов, что выходит далеко за рамки численного исследования и больше относится к прикладному программированию.

Вместе с тем, обеспечение эффективности использования и поддержания работоспособности отдельных программ представляет постоянные трудности. Часто случается, что базовые программы сильно изменяются и даже полностью переписываются пользователями. Это приводит к потерям функциональных способностей вычислительных процедур.

По этой причине, а также в соответствии с естественной логикой совершенствования методов математического моделирования и профессионального уровня компьютерных математических моделей в последние несколько лет наметилась тенденция создания и распространения универсальных, многоцелевых вычислительных систем, обеспеченных специализированным централизованным обслуживанием. Хорошо отлаженная и гибкая структура, легко перестраиваемая в соответствии с потребностями пользователей, позволяет объединить научные исследования с проектно-конструкторской практикой и учебным процессом. Такие программно-вычислительные комплексы могут быть использованы также в методических целях, как «полигоны» для тестирования новых подходов к расчету процессов, связанных с течением жидкостей и газов. В качестве примера среди данного рода универсальных программных комплексов можно назвать FLUENT, STAR-CD, CFX, FLOW3D, PHOENICS и др.

С появлением разработок, подобных вышеперечисленным компьютерным кодам, качественное изменение претерпевает деятельность исследователя, моделирующего теплофизические процессы: если ранее основные усилия необходимо было сосредоточить на процессе написания программы, то теперь исследователь должен быть прежде всего специалистом в области физики тепломассообменных процессов, чтобы непротиворечиво сформулировать постановку задачи.

Кроме того, исследователь должен адаптировать выбранный программно-вычислительный комплекс, в частности, подобрать способы релаксации для различных переменных с целью исключения расходимости итерационного алгоритма, поскольку физические процессы, моделируемые программными комплексами, являются существенно нелинейными, с большим количеством внутренних связей и, следовательно, не гарантируется получение сходящегося решения с первой попытки.

Такая специфика работы предъявляет к исследователю довольно жесткие требования, для удовлетворения которых необходим определенный опыт, связанный с хорошим знанием как моделируемых процессов, так и самого программного обеспечения.

Если ранее такая специфика разработки численных моделей некоторыми представителями научной общественности воспринималась с осторожностью и, порой, излишней скептичностью /153, 154/, то в недавнем прошлом это мнение коренным образом изменилось /155/, регулярно стали появляться работы в этом направлении /156-164/.

Кажется вполне объяснимым, что производителями универсальных комплексов в данный момент значительное внимание уделяется разработкам алгоритмов параллельных вычислений /165/ на кластерах (два и более персональных компьютера, работающих совместно над одной задачей). Главным образом, это связано с учетом в математических моделях дополнительных факторов, которыми ранее, в силу их сложности и/или недостаточной изученности, приходилось пренебрегать.