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.