Работа посвящена нелокальным краевым задачам для многомерного уравнения параболического типа с переменными коэффициентами. Методом энергетических неравенств получены априорные оценки в дифференциальной и разностной трактовках для решений нелокальных краевых задач. Из полученных оценок следуют единственность и устойчивость решения каждой из рассмотренных задач по правой части и начальным данным, а также сходимость решения разностной задачи к решению исходной дифференциальной задачи в L2-норме со скоростью O(|h|+τ). Для каждой из рассмотренных задач построен алгоритм численного решения, роведены численные расчеты тестовых примеров.
В работе представлен алгоритм решения системы уравнений Аллена-Кана и Кана-Хиллиарда, которая описывает процесс спекания. Алгоритм не требует значительных по мощности вычислительных ресурсов и позволяет выполнить моделирование процесса спекания большого количества отдельных частиц на вычислительном узле с процессором Intel Xeon E5 2697 v3 и графическим ускорителем NVIDIA K40 за приемлемое время. Проведены эксперименты по моделированию спекания сорбентоподобных структур - упаковок сферических частиц, и на них показана эффективность алгоритма.
Рассматривается задача построения эффективного численного алгоритма решения дробно-дифференциального обобщения неоднородного уравнения Гельмгольца с дробной степенью оператора Лапласа. Построено мультипольное разложение, основанное на факторизации фундаментального решения рассматриваемого уравнения. Предложен способ нахождения значений функций Фокса, входящих в представленное мультипольное разложение. Разработана модификация мультипольного алгоритма для решения рассматриваемого дробно-дифференциального обобщения уравнения Гельмгольца. Приведены результаты вычислительных экспериментов, демонстрирующие эффективность предложенных алгоритмов.
Рассмотрены явные симплектические разностные схемы Рунге-Кутты-Нистрема (RKN) с числом стадий от 1 до 5 для численного решения задач молекулярной динамики, описываемых системами с распадающимися гамильтонианами. Для числа стадий 2 и 3 параметры RKN-схем получены с помощью техники базисов Гребнера. Для числа стадий 4 и 5 новые схемы най дены с применением метода численной оптимизации Нелдера-Мида. В частности, для числа стадий 4 получены четыре новые схемы. Для числа стадий 5 получены три новые схемы в дополнение к четырем схемам, известным в литературе. Для каждого конкретного числа стадий найдена схема, являющаяся наилучшей с точки зрения минимума ведущего члена погрешности аппроксимации. Верификация схем осуществлена на задаче, имеющей точное решение. Показано, что симплектическая пятистадийная RKN-схема обеспечивает более точное сохранение баланса полной энергии системы частиц, чем схемы более низких порядков точности. Исследования устойчивости схем выполнены с помощью программного пакета Mathematica.
Строятся экономичные разностные схемы сквозного счета для решения прямых задач сейсмики в осесимметричной постановке. При распараллеливании алгоритмов, реализующих схемы на многопроцессорных вычислительных системах, применяется метод двуциклического расщепления по пространственным переменным. Одномерные системы уравнений на этапах расщепления решаются на основе явных сеточно-характеристических схем и неявной разностной схемы типа “предиктор-корректор” с контролируемой искусственной диссипацией энергии. Верификация алгоритмов и программ выполнена на точных решениях одномерных задач типа бегущих монохроматических волн. Сравнение результатов показало неоспоримые преимущества схемы с контролируемой диссипацией энергии по точности расчета гладких решений и целесообразность применения явных монотонных схем при расчете разрывов.
Статья посвящена изучению нелинейных эффектов в динамике популяции промысловой рыбы пиленгас Азовского моря при низкой и высокой ее численности с учетом эффекта Олли, конкуренции за ресурсы, таксиса, вылова, пространственного распределения биогенных веществ и детрита на основе многовидовой модели взаимодействия планктона и рыб. Дискретный аналог разработанной модельной задачи водной экологии, входящей в состав программного комплекса, получен на основе схем второго порядка точности с учетом частичной заполненности расчетных ячеек. Возникающая в процессе дискретизации система сеточных уравнений большой размерности была решена на основе модифицированного попеременно-треугольного метода, имеющего наибольшую скорость сходимости при условии асимптотической устойчивости разностных схем для параболических уравнений, эффективность которого была улучшена на основе уточненных спектральных оценок. Разработка эффективных параллельных алгоритмов численной реализации поставленной задачи биологической кинетики, ориентированных на многопроцессорную вычислительную систему (МВС) и графический ускоритель NVIDIA Tesla K80 с модификацией формата хранения данных, позволила анализировать процессы воспроизводства популяций биогидроценоза в режиме реального и ускоренного времени.
Предложена нестационарная 2D-модель транспорта донных отложений в прибрежной зоне мелководных водоемов, дополненная уравнениями Навье–Стокса, неразрывности и состояния водной среды. Дискретная модель транспорта наносов получена в результате аппроксимации соответствующей линеаризованной непрерывной модели. Поскольку задачи прогнозирования транспорта наносов требуют решения в реальном или ускоренном масштабах времени, на сетках, включающих 106–109 узлов, необходима разработка параллельных алгоритмов задач гидродинамики на системах с массовым параллелизмом. Представлены результаты работы созданного эффективного программного обеспечения для выполнения гидродинамических вычислительных экспериментов, позволяющие проводить численное моделирование деформации дна в прибрежной зоне водоема. Приведены результаты численных экспериментов.
Рассматривается проблема суперкомпьютерного моделирования процессов очистки воздушной среды от мелкодисперсных твердых загрязняющих примесей, кластеризованных в виде наночастиц. Моделируемый способ очистки предполагает применение нанофильтров и сорбентов. Оба способа очистки часто комбинируются в современных очистных системах. Способ очистки с помощью нанофильтров позволяет получить высокое качество, но является дорогостоящим вследствие необходимости частой замены фильтрующих элементов (мембран). Способ очистки с помощью сорбентов оказывается несколько хуже по качеству, однако позволяет проводить очистку многократно после промывки сорбента специальными жидкостями. Для оптимизации систем воздушной очистки, использующих нанофильтры и сорбенты, необходимо детальное исследование протекающих в системе очистки процессов. В предлагаемом исследовании рассматривается часть проблемы, связанная с прохождением воздушного потока, содержащего твердые наночастицы загрязнителя, через слой гранулированного сорбента. Для этого разработаны многомасштабная математическая модель, численный алгоритм и параллельная реализация модели на макроскопическом масштабе. Новизна подхода связана с использованием квазигазодинамической модели для описания течения в сорбирующем слое и нескольких вариантов граничных условий на гранулах сорбента. Предварительные расчеты показали возможность расчета течений подобного класса.
Предложены подходы к численному решению систем уравнений, описывающих кинетику двухстадийной фотохимической реакции в вязком полярном растворителе. Математическая модель построена на основе расширенной интегральной теории встреч и учитывает диффузионную подвижность молекул-реагентов в жидкости, неравновесность среды и внутримолекулярных степеней свободы, удаленный перенос электрона в донорно-акцепторных парах, разделенных растворителем. В рамках метода броуновского моделирования разработаны алгоритмы расчета безреакционных стохастических траекторий частиц на поверхностях свободной энергии, соответствующих различным состояниям реагентов и продуктов, схемы детектирования реакционных событий и генерации электронных “прыжков”, а также алгоритмы расчета нестационарных потоков частиц между электронными состояниями и вычисления интегральных ядер кинетических уравнений. Представлены результаты тестовых расчетов, демонстрирующие корректность численного решения и воспроизводящие известные особенности реакций электронного переноса в полярных жидкостях.
В статье приведены результаты моделирования температурных полей в многослойной дорожной одежде по результатам мониторинга на эксплуатируемой автомобильной дороге. Актуальность работы обусловлена высоким влиянием температуры на модули упругости асфальтобетона и, как следствие, на результаты испытаний по оценке прочности дорожных одежд, выполняемых в различных температурных условиях. В ходе исследований выполнен анализ данных, накопленных в течение длительного времени со станции температурного мониторинга, заложенной во время строительства автомобильной дороги. Предложена методика, основанная на решении задачи теплопроводности для каждого связного слоя дорожной одежды, принимающая во внимание непрерывность температуры и плотности теплового потока при переходе через межслойные границы, которая позволяет определить температурное поле в первом слое при неизвестной температуре на поверхности и уточнить механические и теплофизические параметры остальных слоев. Проведен анализ степени неоднородности распределения температуры по слоям в различные периоды года, допускающие проведение прочностных испытаний. Намечены направления дальнейших исследований по актуализации полученных методик с учетом применения современных типов асфальтобетонов в конструкциях дорожных одежд.