Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 23 )

Вряд ли нужно сегодня доказывать перспективность и эффективность математического моделирования как методологии научного исследования и практической деятельности, особенно тогда, когда практически невозможно проведение натурных экспериментов. В этом случае альтернатив этому методу просто нет.

Литература по вопросам математического моделирования огромна [1-3 и т. д.]. Учебные курсы по основам математического моделирования входят в обязательную подготовку практически любого современного инженера и научного работника. Общеизвестно применение математического моделирования как научного метода решения проблем безопасности [4]. Поэтому в настоящей книге нет литературного обзора по этим вопросам.

Использование программного комплекса TSS коренным образом меняет сам процесс исследования термической безопасности с применением математического моделирования. Эти изменения заключаются в переносе основной тяжести при проведении таких исследований с программирования на имитационный эксперимент, предоставляя пользователю TSS удобный готовый инструмент для выражения нужных абстракций и анализа моделей, для управления процессом исследования и его выполнения. Все это в конечном счете приводит к качественному изменению технологии исследования, ее существенному техническому упрощению. Однако это ни в коей мере не только не снимает с исследователя обязанности глубокого понимания содержательной сути проводимой работы, а наоборот повышает ее.

Комплекс TSS – программный комплекс, закрытый для его пользователя, т. е. он не предусматривает возможность применения программирования его пользователем. Это, с одной стороны, его важное положительное качество, т. к. делает его доступным пользователям, не владеющим программированием, но, с другой стороны, это ограничивает применение комплекса только функциями и моделями, предусмотренными разработчиком. Множество заранее запрограммированных математических моделях определяет область применения программного комплекса. Если объект исследования не может быть адекватно представлен в виде таких заранее запрограммированных математических моделей, то применение TSS невозможно. Поэтому пользователю TSS для его применения необходимо знать математические модели, предусмотренные в нем и уметь представить объекты исследования в виде этих моделей. Ознакомление пользователя TSS с математическими моделями, предусмотренными в нем – одна из основных задач, решаемых в настоящей книге, подробно рассматриваемая в дальнейшем.

Программный комплекс TSS по своему основному назначению относится к классу динамических решателей, т. е. практически во всех решаемых с его помощью задач всегда присутствует временная координата, а сами решаемые задачи связаны с моделированием динамических систем. Это весьма нужные для практики задачи, но возможности их решения всегда определялись возможностями выполнения определенного объема вычислений. Именно с этим связано появление различных теорий, позволяющих получить упрощенные способы решений таких задач за счет упрощения рассматриваемых объектов и процессов. Динамические решатели позволяют отказаться от десятков математических приёмов, в которые "обернуты" фундаментальные подходы к решениям задач, но ценой такого упрощения является обязательное наличие мощных вычислительных ресурсов (которых сегодня более чем достаточно).

Моделирование вообще и математическое, в частности, - сложный творческий процесс. Заключить его в формальные рамки и полностью стандартизовать очень трудно. Тем не менее, наука и практика с годами выработали некоторую общую схему проведения и определенную последовательность этапов исследований посредством математического моделирования.

Практически всегда проблема термической безопасности возникает применительно к достаточно сложным объектам различного назначения, обладающих термическими опасностями. Основой современного подхода к исследованию таких объектов (систем) является методология системного подхода [3]. Системный подход предполагает выполнение определенной деятельности для достижения поставленной цели путем последовательного перехода от общего к частному в виде определенной последовательности решаемых задач.

Исследование термической безопасности всегда проводится применительно к определенному целевому объекту. Целевой объект - понятие, постоянно используемое в настоящей книге. В наших представлениях целевой объект – совокупность (система) элементов и подсистем, предназначенная для выполнения основной цели проводимой деятельности, рассматриваемая как целое вместе с протекающими в них или с их участием физико – химическими процессами, объединенными материальными и энергетическими потоками. Иначе говоря, целевой объект это главное, ради чего выполняется вся деятельность. Приведенное определение отражает представление целевого объекта как системы в соответствии с основными представлениями системного подхода. Целевым объектом в таком понимании, например, является химический реактор, в котором осуществляется целевой процесс получения определенного химического продукта, транспортный агрегат для транспортировки химических веществ, контейнер с химическим веществом, готовое изделие определенного назначения (например, ракета, снаряд) и т. д. Целевым объектом может быть не только тот или иной материальный объект, но и процесс, например, технологический процесс, процесс хранения или транспортировки. Обычно не представляется трудным отделить целевой объект от окружающей среды или выделить его из другой более общей системы. Основное для этого – понимание цели всей деятельности.

Безопасность на всех этапах жизненного цикла – одно из основных требований, предъявляемых к любому практически интересному целевому объекту. Как указывалось ранее, понятие безопасности безгранично по своим видам и для практической деятельности всегда требуется конкретизация в отношении видов безопасности, подлежащих исследованию. Иначе говоря, проблему безопасности объекта или процесса всегда нужно рассматривать на конечном множестве видов безопасности, каждый из которых должен быть терминологически определен и иметь конкретные требования, выполнение которых необходимо для обеспечения безопасности этого вида. В такой постановке сложная задача обеспечения безопасности целевого объекта в соответствии с методологией системного подхода превращается в совокупность более простых задач обеспечения безопасности целевого объекта для каждого вида безопасности. В соответствии предметом исследования настоящей монографии, в дальнейшем мы ограничимся только анализом термической безопасности целевого объекта, как одного из видов безопасности, присущих данному объекту.

Во всех случаях исследования термической безопасности объектом исследования является определенный целевой процесс, связанный с определенным физическим объектом при наличии в нем термически опасной химической реакции. Таким процессом может быть процесс хранения, транспортировки, использования опасного химического продукта, химико – технологический процесс (синтез, дистилляция и т. д.). Сама задача ставится как исследование возможности или невозможности теплового взрыва в определенных условиях проведения этого процесса. При этом, задача оценки термической безопасности всегда ставится применительно только к предварительно идентифицированному термически опасному химическому процессу.

Возможны различные формулировки требования обеспечения термической безопасности. Так, требование обеспечения термической безопасности целевого объекта в понимании предписывающего подхода к безопасности может формулируется как требование отсутствия теплового взрыва при регламентном исполнении целевым объектом своих функций. При целеуказывающем подходе к безопасности это требование может быть определено как непревышение допустимого предела потерь в условиях произошедшего теплового взрыва. Такие формулировки требований обеспечения термической безопасности приведены здесь только в качестве примера и являются далеко не единственными.

Очевидный, но важнейший начальный этап построения или выбора математической модели — это получение по возможности более четкого представления о моделируемом объекте и уточнение его содержательной модели, основанное на неформальных обсуждениях. Нельзя жалеть времени и усилий на этот этап, от него в значительной мере зависит успех всего исследования. Не раз бывало, что значительный труд, затраченный на решение математической задачи, оказывался малоэффективным или даже потраченным впустую из-за недостаточного внимания к этой стороне дела [3]. Здесь речь идет о построении особой идеальной конструкции, называемой содержательной или концептуальной моделью исследуемого объекта или процесса, представляющей собой содержательное описание моделируемого объекта с позиций системного подхода. Это исходная естественно-научная концепция целевого объекта.

Целевой объект, обычно, весьма сложная система, в целом трудно поддающаяся исследованию. Поэтому, применяя далее принципы системного подхода, исходя из специфики решаемой задачи анализа термической безопасности с целью представления целевого объекта в виде математической модели, проведем дальнейшее упрощение представления целевого объекта. В целевом объекте, обладающем термической опасностью, всегда присутствует тот или иной носитель термической опасности и связанная с ним экзотермическая химическая реакция. Поскольку никакая химическая реакция не может существовать без реактора, то в целевом объекте, обладающем термической опасностью, выделяется подсистема, далее называемая подсистемой термической опасности, состоящая из идентифицированной термически опасной химической реакции и реактора – объема, в котором она происходит. Далее такая подсистема рассматривается как самостоятельный объект, взаимодействующий с внешней средой через процессы тепломассообмена. Внешнюю среду подсистемы термической опасности образует множество элементов и подсистем любой природы, входящих в целевой объект, но существующих вне подсистемы термической опасности, способных оказать влияние на эту подсистему или находящихся под ее воздействием.