Каталог готовых работ

Методы моделирования

В настоящее время нельзя назвать область человеческой деятельности, в которой в той или иной степени не использовались бы методы моделирования. Метод моделирования широко применяют в таких областях, как автоматизация проектирования и организации в автоматизированных системах научных исследований, в системах исследования и проектирования, в системах массового обслуживания, анализ различных сторон деятельности человека, автоматизированное управление производственными и другими процессами. Важно подчеркнуть, что моделирование используется при проектировании, создании, внедрении, эксплуатации систем, а также на различных уровнях их изучения, начиная от анализа работы элементов и кончая исследованием системы в целом при их взаимодействии с окружающей средой.

Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности и постепенно захватывало все новые области научных знаний. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХ в. Однако методы моделирования долгое время развивалась независимо отдельными науками. Отсутствовала единая система понятий, единая терминология.

Термин "модель" широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. Под моделью понимается такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале.

Моделирование – это процесс построения, изучения и применения моделей, то есть можно сказать, что моделирование – это изучение объекта путем построения и исследования его модели, осуществляемое с определенной целью, которое состоит в замене эксперимента с оригиналом экспериментом на модели.

Модель должна строиться так, чтобы она наиболее полно воспроизводила те качества объекта, которые необходимо изучить в соответствии с поставленной целью. Во всех отношениях модель должна быть проще объекта и удобнее его для изучения. Таким образом, для одного и того же объекта могут существовать различные модели, классы моделей, соответствующие различным целям его изучения.

Необходимым условием моделирования является подобие объекта и его модели. Построенные модели необходимо исследовать и решить.

В математических методах широко применяются как аналитические, так и статистические модели. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки.

Аналитические модели более грубы, учитывают меньшее число факторов, всегда требуют каких-то допущений и упрощений. Зато результаты расчета по ним легче обозримы, отчетливее отображают присущие явлению основные закономерности.

Статистические модели, по сравнению с аналитическими, более точны и подробны, не требуют столь грубых допущений, позволяют учесть большее число факторов. Но у них свои недостатки: громоздкость, плохая обозримость, большой расход машинного времени, а главное – крайняя трудность поиска оптимального решения, которое приходится искать на ощупь.

Наилучший результат получается при совместном применении аналитических и статистических моделей.

Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей. Оно тесно связано с такими категориями, как абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно включает и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и конструирование научных гипотез.

Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект. Именно эта особенность метода моделирования определяет специфические формы использования абстракций, аналогий, гипотез, других категорий и методов познания.

 Необходимость использования метода моделирования определяется тем, что многие объекты (или проблемы, относящиеся к этим объектам) непосредственно исследовать или вовсе невозможно, или же это исследование требует много времени и средств.

Процесс моделирования включает три элемента: 1) субъект (исследователь), 2) объект исследования, 3) модель, опосредствующую отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.

Для понимания сущности моделирования важно не упускать из виду, что моделирование – не единственный источник знаний об объекте. Процесс моделирования "погружен" в более общий процесс познания. Это обстоятельство учитывается не только на этапе построения модели, но и на завершающей стадии, когда происходит объединение и обобщение результатов исследования, получаемых на основе многообразных средств познания.

Моделирование – циклический процесс. Это означает, что за первым циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта и ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах. В методологии моделирования, таким образом, заложены большие возможности саморазвития.

Инфракрасный нагрев

Инфракрасный нагрев – это нагрев материалов электромагнитным излучением с длиной волны 1,3-4 мкм (инфракрасное излучение). Инфракрасный нагрев основан на свойстве материалов поглощать определенную часть спектра этого излучения. При соответствующем подборе спектра испускания инфракрасного излучателя достигается глубинный или поверхностный нагрев облучаемого тела, а также его локальная сушка без нагрева всего объекта. Впервые инфракрасный нагрев в промышленном масштабе был применен в 30-х гг. 20 в. в США на заводах Форда для обжига эмали на кузовах автомобилей.

Источником энергии при инфракрасном нагреве служат инфракрасные излучатели, состоящие из собственно источника энергии (нагретого тела) и отражателя. В зависимости от степени нагрева источников их условно подразделяют на низкотемпературные, нагреваемые до температур менее 700°С, среднетемпературные – от 700 до 1500°С, высокотемпературные – выше 1500°С. В качестве источников применяют: трубчатые электрические нагреватели; зеркальные сушильные лампы; электрические нагреватели, состоящие из вольфрамовой спирали, помещенной в герметическую кварцевую трубку, наполненную инертным газом и парами йода, и др. 

Установки инфракрасного нагрева представляют собой камеры, туннели или колпаки, размеры и формы которых соответствуют размерам и форме обрабатываемых изделий. Излучатели укрепляют на внутренней стороне установки; расстояние между ними и поверхностью нагреваемых предметов обычно составляет 15-45 см. В промышленности инфракрасный нагрев широко применяют для нагрева до сравнительно небольших температур низкими тепловыми потоками (сушка лакокрасочных материалов, овощей, фруктов; нагрев термопластических материалов перед формованием; вулканизация каучука и др.).

Тепловая обработка продуктов в электромагнитном поле СВЧ

Сверхвысокочастотным называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля сверхвысоких частот. Электромагнитная волна, проникая в объект, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте.

СВЧ устройства для технологических целей работают на частотах, установленных международными соглашениями. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 (2450) Мгц.

Важное преимущество СВЧ нагрева – тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.

Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.

Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь как функции длины волны.

С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.

Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются.

При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.

Один из основных  видов применения СВЧ нагрева – приготовления пищи. Так в настоящее время СВЧ печи нашли свое применение не только в общественном питании (рестораны, столовые, вагоны-рестораны), но и в быту.

Благодаря выделению тепла во всем объеме довести до готовности мясо с СВЧ печи можно всего лишь за 1- 5 мин (в сковородке на это требуется 40 мин). Равномерное выделение тепла по объему каждого куска обеспечивает в приготовленном мясе отсутствие непроваренных или непрожаренных мест. Кроме того, при столь быстром подогреве не происходит выпаривание соков, поэтому вкусовые качества получаются более высокими, чем при обычных способах готовки.

Замороженные продукты приобретают все большую популярность. Однако перед употреблением их необходимо разморозить, что требует длительного времени. После медленного размораживания их качество заметно ниже, чем у свежих продуктов. С помощью СВЧ нагрева разморозить фрукты и овощи можно за 1-3 мин. Это дает не только экономию времени, но и настолько увеличивает качество размороженных овощей и фруктов, что они почти не отличаются от свежих.

Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи скоропортящихся продуктов. При использовании СВЧ техники для создания автоматов по продаже горячих продуктов эти автоматы должна быть дополнены двумя устройствами: холодильником для хранения продуктов и СВЧ печью, куда после опускания монеты или жетона должны подаваться порции продуктов и где за 1-3 мин производится не только их оттаивание, но и нагрев до необходимой температуры. Далее – обычная выдача порции потребителю.

В последнее время, особенно в новых жилых домах вместо газа для приготовления пищи используется электричество. При этом снижается загрязнение воздуха, полностью устраняется опасность взрывов, но электрические плиты сравнительно медленно разогреваются и довольно долго остывают после выключения.

Следующий шаг по применению электричества в быту – широкое внедрение СВЧ печей. В последние годы ведущие фирмы США и Японии наладили массовый (с 1975 г. свыше 1 млн. шт. в год) выпуск бытовых плит, предназначенных для квартир и коттеджей. Они представляют собой комбинацию обычной трех-четырехкомфорочной электроплиты с СВЧ печью. СВЧ печь может быть расположена как духовка под электроплитой или же над ней в виде шкафчика.

При широком использовании СВЧ печей в быту получает быстрое развитие и индустрия приготовления замороженных порционных блюд, специально предназначенных для быстрого оттаивания и разогрева в СВЧ печах.