ИНФОРМАТИКА

В Институте систем информатики им. А.П. Ершова для спецификации и верификации распределенных систем предложен язык REAL, включающий подъязыки выполнимых и логических спецификаций. Разработаны три версии REAL: Elementary-REAL, Basic-REAL и Dynamic-REAL. Для них описана структурная операционная семантика, позволяющая доказывать важные семантические свойства. Для первых двух версий REAL доказана теорема об отсутствии конкурентного доступа к каналам. Предложен метод верификации свойств прогресса распределенных систем, который базируется на комбинации методов индуктивного рассуждения и проверки моделей. Разработана экспериментальная система моделирования и анализа REAL-спецификаций для обслуживания распределенных потоков запросов, например: банкоматы, автоматические кассы (рис. 2.1) и т.д.

В Институте вычислительных технологий разработаны конечно-разностные схемы для решения на криволинейных подвижных сетках задач волновой гидродинамики в двумерной и трехмерной постановках. Предложены эффективные методы построения многомерных динамически адаптивных сеток, основанные на принципе эквираспределения. Построены алгоритмы типа предиктор-корректор с управляемой аппроксимационной вязкостью для решения на динамически адаптивных сетках плановых нелинейных задач теории мелкой воды первого и второго приближений. Разработаны и исследованы конечно-разностные схемы для расчета на адаптивных сетках двумерных и трехмерных потенциальных течений жидкости со свободной границей. Созданы итерационные алгоритмы решения на адаптивных сетках двумерных (рис. 2.2) и трехмерных стационарных задач протекания идеальной жидкости через каналы и водоемы сложной геометрии.

Рис. 2.2. Эволюция уединенной волны при отражении от жесткой стенки в безразмерных осях: h/h – амплитуда, x1/h – координата.		Рис. 2.3. Оптимизация скорости травления А по содержанию О2, в смеси CF4 – О2. Параметры режимов: p = 0,5 торр, Тs = 300 К; 1 – Q = 200 см3/мин; 2 – Q = 800 см3/мин; 3 – скорость травления в чистом CF4. Здесь p – давление, Тs – температура поверхности, Q – объемный расход смеси.

В том же Институте построена адекватная численная модель процесса плазмохимического травления. Найдена оптимальная концентрация кислорода в рабочей смеси, при которой скорость травления кремниевых пленок втрое превышает среднюю скорость травления в чистом тетрафториде углерода (рис. 2.3). Результат может быть использован для совершенствования технологии обработки СБИС.

В Институте математики им. С.Л. Соболева разработан метод продолжения по параметру на основе множественной стрельбы для численного исследования нелинейных краевых задач для систем обыкновенных дифференциальных уравнений с учетом возможности ветвления решений.

В том же Институте в рамках Байесовского подхода найдены доверительные интервалы для вероятности ошибки распознавания в зависимости от объема обучающей выборки и размерности пространства в дискретном случае.

В Институте вычислительной математики и математической геофизики завершен комплекс исследований по математическому и имитационному моделированию информационных сетей, в рамках которого впервые поставлена и решена задача о разладке с фиксированным уровнем ложной тревоги и заданным интервалом допустимого запаздывания при подаче сигнала об обнаружении. Разработаны методы и алгоритмы обнаружения экстремальных состояний информационных сетей; генерации псевдослучайных объектов сложной структуры, методы расчета нестационарных потоков в информационных сетях. Предложенные методы и алгоритмы либо не имеют аналогов, либо превосходят существующие по различным параметрам, таким как трудоемкость, экономия памяти, сложность реализации. Полученные результаты используются для мониторинга и диагностики информационных сетей, позволяют строить более адекватные и эффективные модели информационных сетей (рис. 2.4).

В Конструкторско-технологическом институте вычислительной техники при исследовании изолированных, культивируемых вне организма нейронов Lymnaea Stagnalis на различных стадиях регенерации нейронной сети впервые инструментально обнаружено взаимодействие излучения террагерцового диапазона низкой мощности с органическими молекулами (рис. 2.5, а, контрольный образец на рис. 2.5, б). При этом нейроны использовались как клеточный биосенсор – высокоселективная система многокаскадного молекулярного усиления сигнала. Показана высокая специфичность взаимодействия некоторых из множества исследованных длин волн с определенными молекулярными группами. Исследования открывают перспективу поиска физических основ взаимодействия излучения со сложноорганизованными молекулярными системами, дают возможность поиска методов дистантного не медикаментозного воздействия на биосистемы и приближают к разработке научных основ медицинского применения лазерного излучения.

В Институте вычислительного моделирования предложен новый метод выделения информационно значимых слов, основанный на сравнении реальной частоты (встречаемости) слова и частоты, предсказанной по частотам слов меньшей длины. Для предсказания частоты слов используется метод максимума энтропии для восстановления словарей большей длины по словарям меньшей длины. Метод применен к биологическим символьным последовательностям: нуклеотидным (ДНК и РНК) и белковым (рис. 2.6). На примере анализа большого набора последовательностей бактериальных 16S РНК показано, что информационная структура нуклеотидной последовательности хорошо коррелирует с таксономическим положением ее носителя.

В Институте систем информатики им. А.П. Ершова предложена и разработана концепция документа в информационном пространстве, преодолевающая двойственность документа (статичность – динамичность), для чего вводится понятие экземпляра документа как статически публикуемой единицы. Следовательно, устраняется одна из главных проблем, препятствующих решению задачи создания и поддержания электронных коллекций однородных и неоднородных данных для случая децентрализации данных и каталогов, заключающаяся в идентификации опубликованного объекта с учетом его потенциальной изменчивости (рис. 2.7). Документом при этом является множество экземпляров, относящихся к одной идентификации. Созданная технология позволяет оформлять разнообразные XML-документы, обеспечивая их однородное поддержание и использование в условиях децентрализованной распределенной структуры.

В Институте вычислительной математики и математической геофизики для сжатия изображений в интересах быстрой передачи и экономичной архивации создан алгоритм классификации элементов изображения, приводящий к сверхскоростным алгоритмам сжатия полутоновых и цветных изображений, исключающий переборные операции как при обучении фрактальных баз на образцах изображений, так и при кодировании и раскодировании изображений (рис. 2.8). Алгоритм основан на сферической выпуклости возникающих множеств и имеет вычислительную сложность, растущую линейно по площади изображения. Алгоритм имеет общий характер и не ограничен конкретными приложениями.

МЕХАНИКА

В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева исследована структура нелинейных волн при двухслойном течении несжимаемой жидкости в протяженных каналах. Для уравнений двухслойной мелкой воды с трением построены периодические разрывные решения, описывающие катящиеся волны конечной амплитуды. Найдены "аномальные" волны предельной амплитуды, приводящие к резкой смене режима течения. Таким образом, впервые в рамках одной модели удалось описать переход от расслоенного к снарядному режиму течения и найти критические параметры этого перехода.

На рис. 2.9 показано развитие нелинейных возмущений в двухслойном течении несжимаемой жидкости в протяженном канале (численный расчет). На входном участке канала (слева) задаются небольшие (менее одного процента) возмущения сверхкритического потока двух несмешивающихся жидкостей равной глубины и скорости. Смена режима течения происходит на достаточно большом расстоянии от входа (десятки тысяч начальных глубин, рис. 2.9, а). На рис. 2.9, б изображена финальная стадия развития возмущений (профиль аномальной волны максимальной амплитуды, определенный из соотношений для бегущих волн) на выходе из канала (секция АВ). Сравнение волновых конфигураций, полученных как из нестационарного расчета, так и из анализа бегущих волн, дает основание считать, что основные характеристики устойчивого снарядного режима течения могут быть найдены из начальных параметров двухслойного течения.

Рис. 2.9. Схема течения в переходной и финальной стадиях.		Рис. 2.10. Теневые снимки обтекания тела без разряда (А) и с разрядом (Б) сверхзвуковым потоком газа при числе Маха М = 3,2.

В Институте теоретической и прикладной механики впервые выполнено детальное комплексное исследование физики тлеюшего разряда с большой плотностью тока и его воздействия на газодинамическую картину обтекания тел сверхзвуювым и гиперзвуковым потоками газа. Установлено, что тлеющий разряд вызывает диссипацию прямого скачка уплотнения при обтекании затупленных тел, а плазма прикатодной области ведет себя подобно виртуальному телу, на ее периферии возникают косые скачки уплотнения (рис. 2.10).

Измерение давления на фронтальной поверхности тупых тел вращения показало его существенное снижение (до б раз), которое увеличивается с ростом мощности разряда. Установлено, что при одной и той же мощности разряда снижение давления более значительно при меньших числах Маха (рис. 2.11). Проведенные теоретические оценки показали, что воздействие объемного тлеющего разряда на сверхзвуковое обтекание тел имеет тепловой характер.

В том же Институте на основе разработанных программных систем параллельного вычисления для высотной аэродинамики выполнены многопараметрические расчеты аэродинамических характеристик космической станции "Мир" на орбитальной стадии полета и вдоль траектории спуска (в переходном режиме течения 200 – 120 км). Предложен ряд конфигураций станции (положения солнечных батарей), обладающих малыми возмущающими моментами и большим аэродинамическим сопротивлением (рис. 2.12). Полученные результаты по аэродинамике станции "Мир" в диапазоне высот от 350 до 120 км используются в настоящее время в РКК "Энергия" для разработки сценария контролируемого спуска станции "Мир" с орбиты и ее последующего затопления.

В Институте физики прочности и материаловедения показано, что пластическая деформация твердого тела развивается по схеме: "первичный концентратор напряжений – релаксационный сдвиг, сопровождаемый поворотной модой, – генерируемый этой модой индуцированный концентратор напряжений – последующий релаксационный сдвиг и т.д.". Такой автоволновой процесс проявляется в явном виде, если он локализован на одном макромасштабном уровне (рис. 2.13). В общем случае он развивается на нескольких взаимодействующих масштабных уровнях, обусловливая широкий спектр масштабов локализации деформации. Снижение масштаба локализации обеспечивает повышение механических свойств материала.

В том же Институте в рамках физической мезомеханики построена обобщенная иерархическая модель деформации и изнашивания, в основе которой лежит самосогласованное вихревое движение мезообьемов по схеме "сдвиг + поворот", сопровождающееся формированием дискретных частиц износа (рис. 2.14). Блокирование (подавление) образования мезовихрей путем создания градиентной структуры в поверхностном слое препятствует образованию частиц износа и уменьшает интенсивность изнашивания. Разработан ряд поверхностно упрочняющих технологий, которые обеспечивают высокую стойкость материалов к изнашиванию как в абразивной среде, так и в парах трения.

В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева предложен дискретно-интегральный критерий прочности для сложного напряженного состояния при пропорциональном нагружении. Проведено моделирование поведения атомной структуры в окрестности вершины трещины. Выявлена существенная зависимость критических нагрузок потери устойчивости трехатомной ячейки от условий закрепления одного из атомов этой ячейки (рис. 2.15). Обнаружена угловая точка, соответствующая бифуркации решения, из которой возможны два пути закритического деформирования трехатомной ячейки (рис. 2.16). В отличие от классических критериев, предложенный критерий допускает предельный переход по параметру, характеризующему длину трещины, и описывает как прочность трещиноватых тел, так и прочность тел без трещин. Кроме того, данный критерий характеризует хрупкие и квазихрупкие разрушения, а также частично описывает пластическое разрушение.

Рис. 2.15. Схема роста трещины в кристаллической решетке. Справа – условия закрепления атомов (одна и две вакансии).		Рис. 2.16. Поведение теоретической прочности кристалла: 1 – классический случай (одна вакансия), 2 – наличие угловой точки (бифуркация решения) для атома с двумя вакансиями.

В Институте теоретической и прикладной механики создан метод исследования биологических тканей на основе лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), возбуждаемой излучением импульсного ультрафиолетового лазера, позволяющий производить оценку состояния ткани в режиме реального времени.

Исследовались резицированные ткани животного с разной степенью старения после физической смерти. В ходе предварительных экспериментов установлено, что в спектрах ЛИФ происходит изменение отношения интенсивностей флуоресценции на длинах волн 375 и 450 нм к интенсивности на длине волны 330 нм (рис. 2.17), что, возможно, позволит проводить оперативный контроль состояни трансплантанта.

Рис. 2.17. Внешняя стенка аорты (1 – в первый день после резекции, 2 – на 15-й ден хранения).		Рис. 2.18. Установка ионно-плазменного напыления электропроводящих и спектрально-селективных покрытий на листовые материалы.

В Институте физики прочности и материаловедения на основе взаимодействия поверхности материалов, облучаемой потоком ионов высокой энергии, с низкотемпературной плазмой, содержащей смесь ионов газов и металлов, разработаны способ и комплекс устройств для вакуумного напыления при температурах ниже 120 °C износостойких защитных, твердых спектрально-селективных, прозрачных электропроводящих и теплостойких покрытий на высокопрочные стали с низкой температурой отпуска и алюминиевые сплавы, стеклянные и полимерные материалы. Создана опытная партия установок (3 шт.; рис. 2.18).

В Институте теоретической и прикладной механики на основе способа объемного упрочнения литого металла с помощью ультрадисперсных тугоплавких порошков разработан метод нанесения покрытий плазменным напылением из композиции напыляемого порошка алюминиевой бронзы с ультрадисперсным порошком (УДП) карбида кремния, добавляемого в количестве 0,05 % по массе. При этом структура материла стала мелкозернистой и значительно увеличилась прочность соединения покрытия с подложкой (рис. 2.19).

В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе впервые показано, что именно неустойчивость Рэлея – Тейлора приводит к образованию пальцев при ударе капли о твердую поверхность. Хотя это явление и отмечалось исследователями практически с самого начала изучения проблемы соударений капель с поверхностями, вплоть до настоящего времени не была ясна природа неустойчивости, приводящая к образованию такой структуры. Попытки объяснения данного явления Рэлей – Тейлоровской неустойчивостью за счет вязкого торможения на поздней стадии растекания капли – стадии напорного растекания – давали очень низкие ускорения.

На основе детального рассмотрения всех фаз удара (рис. 2.20) впервые показано, что при переходе от "сверхзвуковой" к напорной стадии растекания жидкая пленка, индуцированная ударом, испытывает ускорения, требуемые для развития неустойчивости Рэлея – Тейлора, которая развивается на начальной стадии удара и ответственна за образование пальцев. Показано, что необходимым условием развития неустойчивости является условие "удара", которое выражается неравенством We^1/2 >> 1 (We – число Вебера). Число образующихся пальцев определяется исходя из условий, что в процессе растекания на периметре осесимметричной пленки, индуцированной ударом, укладывается целое число волн максимального роста, и оно остается постоянным. Получена конечная формула для количества пальцев как функция чисел Маха и Вебера (рис. 2.21).

Рис. 2.20. Разложение поля скоростей на промежуточной стадии удара капли о поверхность. Здесь r0 – радиус капли, rc – текущий радиус контактного пятна, u0 – скорость удара капли, uc – текущая скорость расширения контактного пятна, u0' – результирующая скорость, q – угол от нормали, О – центр капли.		Рис. 2.21. Зависимость числа пальцев и от числа Вебера (Wе), М – число Маха.

Полученные результаты объясняют природу данного явления и могут быть использованы для развития теории соударения жидких и твердых тел, а также в технологиях, в основе которых лежит взаимодействие "капля–поверхность".

В оглавление

Далее