Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)
Численный анализ динамики газового потока пиролиза пропана
Статья научная
Введение. Исследуется процесс пиролиза пропана в проточном реакторе в режиме подачи энергии через постоянный внешний нагрев. Для комплексного исследования процесса во всевозможных условиях и для обеспечения перехода от лабораторных установок к промышленным необходимо провести численный анализ результатов моделирования течения газа в реакторе с учётом химических процессов. В работе представлены результаты численного моделирования трехмерной динамики газового потока пиролиза пропана в реакторе в программном пакете ANSYS Fluent с использованием компактной кинетической модели. Материалы и методы. Авторами предложена новая компактная кинетическая схема пиролиза пропана, которая была получена на основе методов локального и глобального анализа чувствительности модели. Представлена математическая модель, используемая в пакете ANSYS Fluent, которая представляет собой уравнения неразрывности, сохранения импульса, сохранения энергии, дополненные уравнениями неразрывности для каждой компоненты газа. Результаты исследования. Впервые проведено численное моделирование трехмерной динамики газового потока пиролиза пропана в реакторе в программном пакете ANSYS Fluent с использованием компактной кинетической модели. Проведены расчеты динамики газового потока пиролиза пропана в лабораторном реакторе с учетом процессов диффузии, химических реакций и их тепловых эффектов. Результаты численных расчетов и экспериментальные исследования по конверсии пропана хорошо согласуются между собой. Обсуждение и заключения. Результаты исследования и моделирования пиролиза пропана могут составить основу для описания процесса в объеме реактора под воздействием лазерного излучения.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Статья посвящена вопросу анализа чувствительности функционала качества воды к параметрам модели искусственной водной экосистемы биологической очистки сточных вод, сформулированной в виде начально-краевой задачи для системы уравнений реакции-конвекции-диффузии, описывающей динамику биогенов. Использование многомерных нестационарных моделей водных экосистем с подробным описанием биохимических реакций осложняется большим числом параметров, значение которых необходимо получать экспериментально. Для упрощения процесса обеспечения данных была исследована чувствительность функционала качества очистки к параметрам модели. Материалы и методы. В работе проведён краткий обзор существующих методов оценки, на основе методов теории малых возмущений и сопряжённых уравнений сформулирован алгоритм исследования чувствительности функционала, характеризующего качество воды, к параметрам модели водной экосистемы. Результаты исследования. Получен алгоритм исследования чувствительности функционала к параметрам модели водной экосистемы. Приведён практический пример применения рассмотренного метода для задачи оптимального управления аэротенком-вытеснителем - элементом очистного сооружения для биологической очистки сточных вод. Обсуждение и заключения. На основе проведённого анализа выявлены наиболее и наименее значимые параметры математической модели искусственной водной экосистемы аэротенка-вытеснителя, являющейся составной частью задачи оптимального управления аэрацией. Применение разработанного алгоритма оценки чувствительности возможно и для других процессов, связанных с массопереносом реагирующих веществ, таких как решение обратных источниковых задач динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере, моделирование биологических процессов в живых организмах, управление процессами массопереноса в аппаратах химических технологий и т. д.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена вопросу анализа чувствительности функционала качества воды к параметрам модели искусственной водной экосистемы биологической очистки сточных вод, сформулированной в виде начальнокраевой задачи для системы уравнений реакции конвекции-диффузии, описывающей динамику биогенов. Использование многомерных нестационарных моделей водных экосистем с подробным описанием биохимических реакций осложняется большим числом параметров, значение которых необходимо получать экспериментально. Для упрощения процесса обеспечения данных была исследована чувствительность функционала качества очистки к параметрам модели.
Бесплатно
Статья научная
Целью данной работы является исследование актуальной задачи поисковой оптимизации многоэкстремальных объектов, которая существенно сложнее одноэкстремальных задач. Показано, что для достижения поставленной цели пригодны лишь эвристические методы. Поэтому исследуются три наиболее известных и разработанных метода поисковой оптимизации: метод роящихся частиц, эволюционно-генетический подход и муравьиный алгоритм. Анализ проводится в среде общей для всех методов тестовой задачи исследования многоэкстремальной функции Растригина. Показано, что все указанные методы вполне пригодны для решения многоэкстремальных задач. Хотя в каждом из эвристических алгоритмов приходится использовать собственные специфические подходы к решению задачи обнаружения и идентификации локальных экстремумов, их объединяет необходимость осуществления кластеризации данных. Каждый метод может обеспечить любую заданную точность решения экстремальной задачи и использует приемлемый ресурс времени.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Обеспечение и повышение доступности веб-ресурсов в сети Интернет представляет собой актуальную задачу для разработчиков информационных систем. Критическую роль в доступности страниц по протоколу Hypertext Transfer Protocol (HTTP) играет версия протокола и его реализация на транспортном уровне. Протокол Quick User Datagram Protocol Internet Connections (QUIC), разработанный компанией Google, позволяет добиться прироста скорости загрузки ресурсов за счёт применения протокола User Datagram Protocol (UDP) в HTTP/3. Однако QUIC имеет статус экспериментального, а в существующих исследованиях основное внимание уделяется теоретическим аспектам или общим показателям в глобальной сети. При этом остаются недостаточно изученными: одновременное сопоставление трёх версий протокола в единых контролируемых условиях, практические сложности конфигурирования и влияние алгоритмов контроля перегрузок на прикладные метрики; трудозатраты на внедрение и настройку; усилия по настройке и количественная оценка выигрыша в контролируемых условиях. Указанные пробелы формируют разрыв между теоретическими ожиданиями и практической реализацией. Поэтому целью данного исследования явилась экспериментальная оценка прикладной эффективности HTTP/3 (QUIC) в контролируемых условиях на едином тестовом стенде, включающая сопоставление HTTP/1.1, HTTP/2, HTTP/3, анализ влияния алгоритмов контроля перегрузок CUBIC и BBR и документирование процедуры конфигурирования HTTP/3-сервера. Материалы и методы. Для исследования был развёрнут тестовый стенд на основе виртуального сервера под управлением операционной системы (ОС) Linux и веб-сервера nginx с поддержкой HTTP/1.1, HTTP/3 (QUIC), а также алгоритмов контроля перегрузок CUBIC и Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time (BBR). В качестве клиента использовался браузер Google Chrome в сети 4G. Производительность оценивалась по метрике Time to First Byte (TTFB), скорости загрузки файлов и времени полной загрузки веб-страницы. Замеры выполнялись многократно с использованием Chrome DevTools и клиентских скриптов. В статье подробно описан процесс настройки сервера для работы с HTTP/3. Результаты исследований. Эксперименты показали, что применение HTTP/3 (QUIC) сокращает время до первого байта на 23,06 % и ускоряет полную загрузку страницы на 9,5 % по сравнению с HTTP/1.1. Теоретическая модель прогнозировала снижение TTFB на 71,43 % за счёт объединённого рукопожатия QUIC и TLS 1.3. Выявленное расхождение обусловлено особенностями обработки UDP-трафика операторами, экспериментальным статусом реализации и нестабильностью мобильного канала. При скачивании крупных файлов алгоритмы CUBIC и BBR обеспечили сопоставимую среднюю скорость (≈13,12 и 12,75 МБ/с соответственно). Однако BBR за первые три секунды передал на 18,2 % больше данных, демонстрируя более быстрый выход на рабочую скорость и стабильный профиль передачи. Обсуждение. Практические результаты частично расходятся с теоретическими оценками: снижение задержки оказалось меньше прогнозируемого из-за особенностей реализации Transport Layer Security (TLS), обработки UDP-трафика провайдерами и характеристик оборудования. Показано, что преимущества QUIC/HTTP/3 наиболее заметны при множественных коротких запросах и высоких задержках. Преимущество BBR перед CUBIC реализуется не на длительных передачах, а при загрузке множества небольших ресурсов страницы — типичного сценария веб-взаимодействий. Для повышения достоверности оценки производительности планируется расширение экспериментов с различными сетевыми условиями, реализациями протокола и географически распределёнными клиентами. Заключение. Исследование подтвердило преимущество HTTP/3 (QUIC): TTFB снизился на 23,06 %, время загрузки страницы — на 9,5 %. При этом теоретическая модель прогнозировала более существенное сокращение, что указывает на влияние особенностей реализации и сетевой среды. Сравнение CUBIC и BBR выявило преимущество BBR при передаче файлов малого объёма. Несмотря на сложность конфигурирования HTTP/3, переход оправдан для сервисов со значительным количеством ресурсов. Ограничения эксперимента требуют расширения исследований в различных сетевых сценариях.
Бесплатно
