Сологаев В.И. О моделировании фильтрации в электронных таблицах

Подождите немного. Документ загружается.

Вестник СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. – Вып. 3. – С. 175-177

175

УДК 32.973+532+533

О МОДЕЛИРОВАНИИ В ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦАХ

ФИЛЬТРАЦИИ И АНАЛОГИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

В.И. Сологаев

доктор технических наук, профессор СибАДИ

Вестник СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. – Вып. 3. – С. 175-177

Аннотация. Статья имеет цель привлечь внимание

молодых ученых к новой технологии моделирования в

электронных таблицах фильтрации и других аналогичных

процессов. Моделирование в электронных таблицах (МЭТ)

является превосходным методом численного эксперимента.

Автор надеется, что метод МЭТ окажет существенную

помощь для студентов, аспирантов и докторантов при

проведении численного моделирования различных физических

процессов.

При проведении исследований в техни-

ческих науках разработка теоретических по-

ложений сопровождается проведением экс-

перимента. В одних случаях эксперимент

служит проверкой полученных теоретических

выкладок. В других — основным инструмен-

том исследований для получения эмпириче-

ских зависимостей.

В последние 10-15 лет в связи с компью-

терной революцией большое значение при-

обрел численный эксперимент. При этом в

сфере программного обеспечения появились

коммерческие и свободно распространяемые

пакеты для моделирования физических про-

цессов фильтрации воды, воздуха, тепло- и

влагопереноса, диффузии и др. Все эти паке-

ты имеют жесткую привязку в виде встроен-

ных специализированных алгоритмов. Это их

недостаток. Стоит изменить исходную поста-

новку физики процесса или скомбинировать

процессы и пакет не может решить задачу

моделирования.

В этом случае традиционные книги по

численному моделированию предлагают ис-

следователю написать самостоятельно ком-

пьютерную программу на каком-либо из язы-

ков программирования. Однако здесь моло-

дого ученого подстерегают неимоверные

трудности, если он не является программи-

стом, да еще и специалистом по прикладной

математике. Надо изучить язык программи-

рования, а также освоить методы матричной

алгебры. А когда же заниматься конкретными

исследованиями по теме своей диссертации?

Все эти трудности легко обходятся, если

применить моделирование в электронных

таблицах (МЭТ).

Идея использовать для моделирования

электронные таблицы пришла автору как

альтернатива кропотливой работы по созда-

нию систем моделирования путем использо-

вания лингвистических языков программиро-

вания Си, Си++, Паскаль, Бейсик, Фортран,

Ассемблер и др. Эта идея позволяет широко

внедрять компьютерное моделирование, так

как:

— пользователю не обязательно быть

программистом;

— электронные таблицы необычайно

популярны среди пользователей;

— методика моделирования несложная,

но надежная.

Электронные таблицы предоставляют

весьма удобную среду моделирования. Они

знакомы большинству пользователей персо-

нальных компьютеров. Это позволяет обме-

ниваться информацией, помогать друг другу

в обучении и разрабатывать модели коллек-

тивно в единых стандартах и форматах.

Учебно-педагогическая практика автора пока-

зала, что моделирование в электронных таб-

лицах воспринимается студентами и аспи-

рантами легко и с большим интересом. Эти

таблицы применяются во многих учебных

Вестник СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. – Вып. 3. – С. 175-177

176

курсах, что также повышает интерес к их ис-

пользованию.

МЭТ есть метод моделирования при-

кладных фильтрационных задач особыми

приемами. В отличие от коммерческих и сво-

бодно распространяемых пакетов метод МЭТ

не скован встроенными специализированны-

ми алгоритмами. В МЭТ заложен принцип

развития моделей самими исследователями,

которые для своих задач могут записать но-

вые формулы моделирования, чего нельзя

сделать в традиционных пакетах.

Сборка модели в электронной таблице

производится примерно так же, как если бы

собиралась дискретная электрическая мо-

дель. Это обеспечивает преемственность

развития моделирования, так как можно ис-

пользовать:

— литературу прошлых лет по дискрет-

ному моделированию на электрических и

гидравлических моделях;

— старые, проверенные практикой руко-

водства по численному моделированию, ори-

ентированные на ручной счет (Д.Ю. Панов и

др.).

В то же время появляются новые воз-

можности:

— отпадает необходимость программи-

рования итерационных циклов, так как они

встроены в электронные таблицы;

— то же касается наперёд заданной точ-

ности расчета модели, которая определяется

пользователем таблицы через параметр ме-

ню;

— более опытные пользователи с про-

граммистским стажем могут применить

встроенный язык макропрограммирования.

Отсутствие публикаций по использова-

нию электронных таблиц для моделирования

фильтрации позволяет автору заявить свой

приоритет по разработанному методу, опуб-

ликованному в 1998 г. в [1-3]. В более позд-

ней публикации В.Д. Орвиса (США) 1999 г.

были представлены сходные идеи по моде-

лированию лишь одномерного процесса не-

стационарной теплопроводности стержня в

таблицах Excel. Издание книги В.Д. Орвиса

содержит только два небольших примера

применения метода конечных разностей по

теории теплопроводности в таблицах Excel

97. В нашей работе [4], основанной на неза-

висимых исследованиях автора, проведенных

с конца 1980-х годов, представлен метод мо-

делирования в электронных таблицах целых

классов задач фильтрации и аналогичных

процессов применительно к защите от подто-

пления в городском строительстве.

Автор исследовал моделирование в

большинстве распространенных электронных

таблиц. Для таблиц разных производителей

выявлены недокументированные особенно-

сти, полезные для моделирования. Эффек-

тивность таблиц для моделирования может

меняться с каждой новой версией таблицы.

Поэтому автор разработал вспомогательные

алгоритмы [4] на встроенных языках про-

граммирования наиболее распространенных

таблиц (MS Excel, Lotus 1-2-3, SuperCalc) для

автоматизации моделирования.

Моделирование в электронных таблицах

(МЭТ) осуществляется в три этапа [4]:

1) визуальный монтаж модели в среде

таблицы с использованием сборочных фор-

мул (формул моделирования);

2) итерационный расчётный процесс;

3) подключение дополнительных про-

граммных средств по технологии OLE

Automation (ActiveX) и построение карт по-

тенциальных полей уровней, напоров под-

земных вод, влажности и т.д.

Предлагаемая технология моделирова-

ния рассмотрена подробно, с многочислен-

ными примерами [4]. Процесс картирования

полей напоров, уровней подземных вод и т.д.

реализован в известном пакете Surfer фирмы

Golden Software. Исходными данными для

карт служат численные результаты модели-

рования (матрицы). Передача данных произ-

водится автоматически по технологии OLE

Automation (ActiveX) с помощью макропро-

граммы ForSurfer. Эта программа автора по-

зволяет самогенерировать карты изолиний,

используя численные модели. Она много-

кратно проверена на многочисленных приме-

рах производственного моделирования, реа-

лизованных автором. Программа ForSurfer

рекомендуется к широкому использованию

для автоматизации картирования результа-

тов двух- и трехмерных моделей. Листинг

ForSurfer приведен в монографии [4].

Новая информационная технология мо-

делирования процессов фильтрации подзем-

ных вод многократно снижает трудоемкость

моделирования в сравнении с традиционны-

ми принципами программирования моделей.

Технология автора МЭТ напоминает анало-

говое моделирование, являясь виртуальной

исследовательской лабораторией. Она по-

зволяет моделировать в электронных табли-

цах стационарные и нестационарные процес-

сы фильтрации воды, воздуха, влаготеплопе-

реноса, электроосмоса, консолидации грун-

тов, происходящие при подтоплении и дрени-

ровании в городском строительстве, с учетом

Вестник СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. – Вып. 3. – С. 175-177

177

техногенных изменений проницаемости грун-

тов оснований и т.д., с применением автома-

тизации обработки информации и управления

моделированием.

Научно-исследовательское моделирова-

ние может быть существенно ускорено с по-

мощью метода автора МЭТ:

— для проверки полученных аналитиче-

ских зависимостей по теории фильтрации и

других аналогичных процессов;

— комбинирования аналитических, чис-

ленных методов с лабораторным и натурным

экспериментом с быстрой аппроксимацией

данных и получением эмпирических формул;

— для моделирования сложных процес-

сов фильтрации и влаготеплопереноса в по-

ристых средах, не поддающихся аналитиче-

скому исследованию.

Новая технология моделирования авто-

ра МЭТ может быть применена в других на-

учных дисциплинах строительного профиля и

промышленности. В частности, в технологии

строительного производства методика моде-

лирования электроосмоса легко трансфор-

мируется в моделирование электропрогрева

бетона. В строительной физике авторский

метод можно использовать при моделирова-

нии влаготеплопереноса в ограждающих кон-

струкциях зданий и сооружений, применяя

аналогию физических процессов фильтрации,

теплопроводности, диффузии и др. В фунда-

ментостроении и механике грунтов модели-

рование по автору можно применять для

процессов фильтрационной консолидации

грунтов оснований, прогнозировать осадки

фундаментов и морозное пучение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сологаев В.И. Моделирование фильтрации с

применением компьютерных OLE-технологий

// Труды СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ,

1998. – Вып. 2, ч. 1. – С. 229-236.

2. Сологаев В.И. Компьютерное моделирование

трёхмерной нестационарной фильтрации //

Труды СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ, 1998.

– Вып. 2, ч. 1. – С. 236-242.

3. Сологаев В.И. Разностные схемы

компьютерного моделирования фильтрации //

Труды СибАДИ. – Омск: Изд-во СибАДИ, 1998.

– Вып. 2, ч. 1. – С. 242-247.

4. Сологаев В.И. Фильтрационные расчеты и

компьютерное моделирование при защите от

подтопления в городском строительстве:

Монография. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. –

416 с.

About modeling in electronic spreadsheet of

seepage and another analog processes

Sologaev V.I.

This is a purpose of given publication to show for

young scientists the new technology of

modeling in electronic spreadsheet of seepage

and another analog processes. Modeling in

electronic spreadsheet (MES) is the beautiful

method for numerical experiment. The author

hopes that method MES will render the essential

help for the students, post-graduate students

and doctorants at realization of numerical

modeling of various physical processes.