автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное исследование устойчивости некоторых физико-технических систем

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.ВЛОМОНОСОВА Факультет вычислительной математики и кибернетики

На правах рукописи

Савенкова Надежда Петровна

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ НЕКОТОРЫХ ФИЗИКО -ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Специальность: 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексыпротрамм

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Москва-2004

Работа выполнена на кафедре вычислительных методов факультета ВМиК Московского государственного университета.

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук О.С. Мажорова

доктор физико - математических наук, академик РАЕН, профессор ААРухадзе

доктор физико - математических наук, профессор В Л. Бычков.

Ведущая организация:

Институт математического моделирования РАН.

Защита состоится 2004 г. в час. мин. на заседании

Диссертационного совета Д.501.001.43 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992 ГСП - 2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, факультет вычислительной математики и кибернетики, аудитория 685. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета ВМиК МГУ.

Автореферат разослан

2004г.

Учепый секретарь диссертационного совета

профессор

Е.В. Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Диссертация посвящена численному исследованию динамики протекания сложных нелинейных нестационарных процессов, необходимость изучения которых диктуется высоким уровнем техногенного развития человеческого общества. В современном мире без предварительного знания последствий деятельности человека в самых различных сферах проявления нельзя своевременно внести соответствующие поправки в человеческую деятельность и тем самым поддержать равновесие между процессами в окружающей среде и процессами жизнедеятельности человека.

Практика выдвигает проблемы, полное исследование которых может быть проведено в большинстве случаев лишь на основе математического моделирования с использованием высокоэффективных численных методов.

Ведущие учёные страны неоднократно подчёркивали, что, наконец, настало время использования, по словам А.А.Самарского «универсальной методологии исследования сложных явлений в естественной и гуманитарных средах - математического моделирования, которое должно быть интеллектуатьпым ядром информационных технологий» ( см . Сб. «Математическое моделирование социальных процессов», в.2, М., 2000, ИЗД.МГУ). О.М.Белоцерковский в работе «Численное моделирование в механике сплошных сред»(изд. Физ.-мат.лит., 1994) отмечает, что математическое моделирование особенно важно при изучении явлений, в которых не вполне ясен внутренний механизм взаимодействия, а проведение натурпого эксперимента крайне затруднительно и даже невозможно. Исследованием нелинейных концептуальных систем различной природы, как физических, биологических, так и социально-гуманитарных, посвящено ежегодное проведение «Круглого стола» в МГУ, материалы которого печатаются в сборнике «Синергетика» под редакцией ВАСадовничего, С.П.Курдюмова, В.С.Стёшша и др. В их работах подчёркивается, что данные опытных измерений часто носят ограниченный характер, так что математическое моделирование является фактически единственным инструментом исследования.

В диссертации проводятся такого рода исследования на основе математического моделирования. К ним относятся прогнозирование промышленных аварий, исследование устойчивости процесса электролиза алюминия, решение задачи флаттера, исследование распределения фемтосекундных импульсов в фотонном кристалле, задача распространения фемтосекундпых импульсов в среде с кубичной нелинейностью, исследование устойчивости математическое

БИБЛИОТЕКА I

моделирование явления каналирования нейтральных частиц в кристалле, математическое моделирование ударных лунных кратеров.

Аналитическое решение возникающих в результате математического моделирования систем дифференциальных уравнений в частных производных, как правило нелинейных, не представляется возможным. Поэтому в диссертации изучаются также численные методы решения систем дифференциальных уравнений и численное исследование устойчивости решения, что часто является центральной проблемой в поставленной задаче.

Цель работы. Целью настоящей работы является: -Разработка и обоснование эффективных алгоритмов исследования динамики нестационарных процессов, базирующихся на нахождении спектра соответствующих стационарных задач, как для линейных, так и для нелинейных операторов. -Создание комплекса программ для проведения численных экспериментов. -Решение с помощью разработанных программ прикладных задач.

-Построение математических моделей, адекватно отражающих протекание нестационарных процессов на основе использования информационного поля многомерного оператора Навье - Стокса и численное нахождение решения.

Положения, выносимые на защиту. Сформулированная выше общая проблематика позволяет выделить следующие основные положения, выносимые на защиту:

1.Численный метод определения границ спектра на комплексной плоскости для линейных операторов.

2. Метод локализации на плоскости спектра оператора с нелинейным вхождением спектрального параметра.

3.Метод оценки количества и нахождения отдельных или всех собственных значений, заключённых в данной области плоскости.

4.Метод нахождения собственных функций различных гармоник и соответствующих им собственных значений для операторов с нелинейным вхождением собственной функции.

5.Численное исследование динамики протекания физических процессов слабо изменяющихся по вертикальной компоненте пространства, описываемых оператором Навье-Стокса.

6.Математическое моделирование МГД-неустойчивости алюминиевого электролизёра.

Практическая значимость. Работа имеет теоретический и прикладной характер. Методы, развитые в диссертации, применялись:

-для расчета конфигураций плазмы (совместно с ФГУ РНЦ « Курчатовский институт» );

- для исследования устойчивости конструкции самолёта, при исследовании явления флаттера и для расчёта распределения энергии на плоскости крыла самолёта( совместно с ОАО «Туполев»);

- при исследовании устойчивости фемтосекундного импульса для оптического лазера (в рамках гранта РФФИ);

- при исследовании эффекта каналирования нейтральных частиц в кристаллах (совместно с физическим факультетом МГУ и Институтом синергетики РАН).

Представленные математические модели позволили: -рассчитать последствия промышленной аварии газопровода под Уфой; -провести численное моделирование процесса электролиза алюминия для конкретных ванн на Красноярском алюминиевом заводе.

Научная новизна. В работе впервые:

- предложен эффективный метод исследования устойчивости нестационарных физических процессов, основанный на численном решении стационарной линейной задачи с линейно или нелинейно входящим спектральным параметром, к которой сводится исходная постановка. Создан комплекс программ, реализующих этот метод;

-предложен эффективный метод исследования устойчивости нестационарных физических процессов, основанный на численном решении стационарной нелинейной задачи с линейно входящим спектральным параметром;

-представлена двумерная математическая модель растекания тяжёлых газов и жидкостей по орографически неоднородной поверхности, максимально приближенная к реальным условиям протекания физического процесса, позволяющая определить изменение трёх компонент скорости растекания вещества. Преложен комплекс программ, реализующих математическую модель;

-проведено численное моделирование ударных лунных кратеров;

-разработана математическая модель исследования МГД - неустойчивости алюминиевого электролизёра, позволяющая моделировать физические поля в электролизёре с учётом их взаимодействия как в среде металла, так и в среде электролита, и позволяющая определять динамику изменения границы раздела сред.

Личный вклад в работу. Работа в данном направления проводилась па факультете ВМиК МГУ им. М.ВЛомоносова в содружестве с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», физическим факультетом МГУ, ОАО 'Туполев", ИММ РАН, Красноярским государственным университетом. Непосредственное участие в работе принимали академик РАЕН, профессор, д.ф.-м.н. РЛ.Кузьмин (консультации по работе, постановка задачи каналирования нейтральных частиц в кристаллах, обсуждение результатов), профессор, д.ф.-м.н. А.В.Гулин (обсуждение результатов), д.ф.-.м.нА.В.Гордеев (постановка задачи устойчивости бриллюэнового течения плазмы, обсуждение результатов), к.ф.-.м.н. А.В.Швилкин (постановка задачи флаттера, обсуждение результатов), к.ф.-м.нАА.Кулешов (постановка задачи растекания тяжёлых жидкостей и газов), профессор, д.ф.-.м.н. ВАЛрофимов (постановка задачи устойчивости фемтосекундного импульса в среде с кубической нелинейностью, обсуждение результатов), профессор, д.т.н. О.Г.Проворова (постановка задачи исследования МГД неустойчивости в алюминиевом электролизёре, обсуждение результатов). Всем им автор приносит глубокую благодарность.

Автор лично принимал участие в постановке физических задач. Автором лично проводилась разработка численных методов решения- задач, построение вычислительных алгоритмов решения задач, проведение серий расчётов, консультации, руководство доведения расчётов до конечного численного решения, а также участие в обсуждении и интерпретации результатов численных расчётов.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: -на ежегодной научной конференции МГУ «Ломоносовские чтения» (Москва, 2003) - на ежегодной научной конференции МГУ «Тихоновские чтения» (Москва, 2003) -на 1-10-ой международных конференциях«Математика.Компьютер.Образование.» (Дубна, Пущино, 1994-2003)

-на международных конференциях «Женщины- математики» (Суздаль-1993, Москва-1994, Воронеж-1995, Волгоград -1996) -на всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 1986,1987,1990,1993)

-на 2-ой международной конференции «Методы конечных элементов: теория и приложения »(Минск, 1998)

-на 2-ой международной конференции «Universities Physics Education» (Москва, 1998)

-на 1-ой всероссийской конференции «Физические проблемы экологии» (Москва, 1998)

-на международных конференциях «Холодная трансмутация ядер химических элементов» (Дагомыс-1998, Сочи-1999)

на Всесибирском конгрессе «Женщины-математики» (Красноярск-2000) -на 4-ом Сибирском конгрессе «Прикладная и индустриальная математика» (Новосибирск-2000)

-на научных семинарах МГУ (факультеты ВМиК, физический факультет, 2000-2003). Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано 38 работ. Объём и структура работы.

Диссертация изложена на 322 страницах, включает 21 таблицу, 238 рисунков, библиографию из 195 литературных источников, состоит из введения, 4 глав и заключения. Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются основные задачи, цель работы, научная новизна. Определяется её научная и практическая ценность, приводится структура диссертации.

В первой главе рассматриваются процессы, исследование устойчивости которых целесообразно сводить к исследованию расположения спектра дифференциальных операторов на комплексной плоскости. Задача на собственные значения в этом случае возникает из исходной постановки путём использования метода поиска решения конкретного вида, который соответствует определённому типу решения дифференциальной задачи, отвечающему за устойчивость самого процесса. Специальное представление решения обуславливает разделение пространственных и временных переменных, что и ведёт к возникновению задач на собственные значения, в которых по расположению собственных значений на комплексной плоскости можно судить об устойчивости протекания нестационарного процесса, а сами собственные числа позволяют пересчитать инкременты неустойчивости процессов в пространстве исходных параметров.

Если исходный дифференциальный оператор был линейным или линеаризован перед разделением пространственных и временных переменных, то возникающая задача на собственные значения линейна по собственной функции, но сам спектральный параметр может входить в оператор как линейно, так и нелинейно.

В § 1.1 рассматривается задача на собственные значения с линейным вхождением собственной функции ¥(х) и собственного числа Л, которая возникает при исследовании устойчивости бриллюэнового течения плазмы. Задача формулируется в виде дифференциального уравнения четвёртого порядка:

0<*<£,

г(о)=г"(о)=о,

Г(£)=Г(£)=0,

В диссертации предлагается метод построения кривой нейтральной устойчивости на двумерной плоскости входных параметров , отделяющей устойчивый режим

протекания процесса (все собственные значения меньше нуля) от неустойчивого (в спектре существует хотя бы одно положительное собственное значение). В основе метода находится разработанный в [9,11 ] алгоритм нахождения границ спектра на комплексной плоскости (ИБ8-метод) для стандартной алгебраической задачи на собственные значения. При этом нет необходимости решать полную проблему собственных значений, что существенно экономит время расчётов. Кроме того, экономия оперативной памяти ЭВМ, присущая данному методу , позволяет брать достаточно мелкие сетки для достаточно больших значений длины отрезка расчёта Ь.

В §1.2 исследуется обобщённая задача на собственные значения с линейным вхождением собственных функций и собственного числа Задача возникает при исследовании течений Пуазейля и Блазиуса в рамках краевой задачи на собственные значения для уравнения Орра-Зоммерфельда и в исходной постановке описывается дифференциальным уравнением четвёртого порядка ( см. [ 10])

<Ну,Х) = 2а2 + ЛЯ + Ши(у)

д(у,Л) = а4 + 1а1Ш"(у) + Яа'А +¿аг1Ш(у)

Здесь Л= Лас, I -мнимая единица, а -волновое число, Я -число Рейнольдса невозмущенного течения, с -фазовая скорость, и(у) -профиль безразмерной скорости.

Если то происходит затухание, если то имеет место нарастание

колебаний.

Граничные условия для течения в канале записываются в виде Граничные условия для течения в пограничном слое имеют вид

В работе предлагается обобщённый метод RBS для построения в плоскости параметров (а , R) кривой устойчивости. Метод эффективен и экономичен, поскольку не требует вычисления в каждой точке плоскости параметров всего спектра обобщённой матричной задачи на собственные значения вида Аи=ХВи. Благодаря использованию обобщённого метода КБ$ в данном случае достаточно исследовать знак КеХ на плоскости параметров {а, К).

В §1.3 рассматривается задача с линейным вхождением собственной функции и нелинейным вхождением собственного числа. Предлагается численный метод, позволяющий ответить на следующие вопросы: -Где на комплексной плоскости локализован спектр задачи? -Сколько собственных чисел имеет задача в заданной области плоскости? -Позволяет найти отдельные (или все) собственные числа. -Позволяет найти соответствующие собственным числам собственные функции.

Исследуется сходимость метода. Демонстрируется применение метода для задачи с дробно-линейным вхождением собственного значения вида (см. [8]):

при выполнении условий

О < а:, ^ 1 + £ ЛГ2, Я£0, ^ДЭеС'ВДпо*, г(х,Л)е С' по Я, \к\(х,л^<кг.

Эта задача является модельной для исследования устойчивости электронного течения в коаксиальной магнитной линии при условии самоизоляции и для задачи с квадратичным вхождением собственного числа. Подобные уравнения возникают при решении задачи флаттера, математическая постановка которой сводится к решению матричного дифференциального уравнения

(Х2Е+М>+В)й = О, Л = £ + к» .

Квадратные матрицы В и.Б заданы и зависят от параметра V (скорости полёта самолёта). Требуется с заданной точностью Б определить критическую скорость у„р, равную минимальному значению скорости, для которого в спектре задачи появляется хотя бы одно собственное значение ¿ф, не принадлежащее заданной области О.

В этом же параграфе 1.3 предложенный метод применяется к решению задачи с запаздыванием, в которой собственное число входит экспоненциально: £>(Л)и = (А + ЛВ+Се~ы)и = 0.

где В = С = Е (Е- единичная матрица), А - трёхдиагональная.

Предложенный в §1.3 численный метод исследования устойчивости нестационарных процессов был отработан на тестовых примерах, для которых известны аналитические решения, и применён к конкретным прикладным задачам с различным типом нелинейного вхождения собственного числа.

В §1.4 исследуется задача на собственные значения, имеющая кусочно-непрерывный спектр и возникающая при изучении процесса каналирования электронов [6]. Физический процесс описывается двумерным дифференциальным уравнением Шредингера с условиями периодичности на концах отрезка:

¥1(*>У) + Ч>"у,{х,У) + (Л- У{х,уШх,у) = 0

-СО <Х < +СО, -<*><у< -КО

У(х,у) = У(х + па1,у + та,); п,т = 0,11,12,...

Предлагаемый в диссертации численный метод решения тестируется на модельной задаче, имеющей аналитическое решение. Волновая функция при этом ищется в виде функции Блоха. Численный метод позволяет строить разрешённые и запрещённые зоны спектра для каждой моды. Особое внимание уделяется вычислению собственных функций, при помощи которой решается задача заселённости энергетических уровней.

В главе 2 проводится исследование устойчивости процессов, которое сводится к изучению структуры собственных функций дифференциальных операторов, описывающих динамический процесс. Устойчивому режиму протекания процесса при этом соответствует существование решения определённого вида, например, типа солитона, для конкретных значений исходных параметров.

Как показывает сопоставление результатов численного расчета с данными физического эксперимента, часто линеаризация исходной системы уравнений приводит к уничтожению эффекта нелинейности, т.е. ведёт к неадекватному математическому

моделированию. Предварительная линеаризация недопустима, например, в существенно нелинейных дифференциальных уравнениях. Примером такой задачи может служить исследование устойчивости фемтосекундных импульсов в среде с кубической нелинейностью.

В § 2.1 предлагается методика построения кривых нейтральной устойчивости на двумерной плоскости параметров для задач на собственные значения с нелинейными вхождением собственной функции и линейным вхождением собственного числа. Методика отработана на модельных задачах, имеющих аналитическое решение.

В §2.2 численно исследуется нелинейная задача, имеющая аналитическое решение. Приводятся практические рекомендации по использованию разработанной в § 2.1 методики решения.

В §2.3 демонстрируется применение предлагаемой методики к задаче исследования распределения фемтосекундных импульсов в фотонном- кристалле. Процесс распространения фемтосекундного импульса в слоистой среде с учетом кубичной нелинейности описывается следующим уравнением (Trofimov VA. New approach to numerical simulation of femtosecond pulse propagation in photonic crystal. Laser physicsand Spectroscopy. In proceedings of SPIE, 2000, v.4002, pp.28-33.):

Здесь введены обозначения:

fe,. (d, -t-^Xz-l^rárf, +{d, +dJj-\),

E(2)=

a(z)=

в,.

e, и e2 - диэлектрические проницаемости слоев;

1' а2.

коэффициенты а, и а2 характеризуют кубичную нелинейность отдельного слоя; } = 1,...где Ыцг - число слоев;

_ ш _ 2 пс 2 кс

12=-.где ю=-- размерная частота света, й —- - частота периодическом

Р " Р„

структуры, р11г л/ё7+</2 л/^Г' следовательно, п=—;

Я»

¿1 = ^Р"" , ¿г — - толщины слоев.

Представив решение задачи в виде

получим задачу на собственные значения с нелинейным вхождением собственной функции в оператор

Проблема построения солитонных решений для задач распространения фемтосекундных световых импульсов в среде с кубичной нелинейностью актуальна в связи с задачами передачи информации по оптическим волокнам. В этом случае, как известно, солитон распространяется без пространственных искажений. Безразмерные уравнения, описывающие рассматриваемый процесс, имеют вид (Никитенко К.Ю., Трофимов ВА Инварианты встречного взаимодействия фемтосекундных световых импульсов. Известия вузов, Радиофизика, 1999, Т.ХШ, №5, с. 475-478.)

Решение 1 , , ,, • быть записано формулой

с^М'У1'-

л(О)=А(1)=О.

ачения имеет вид:

с условием нормировки

где |л((]|2 - интенсивность импульса, а и у - действительные параметры, X - собственное значение (декремент (инкремент) затухания), t — время, Ь — размер исследуемой области. Для заданных значений параметров а и у необходимо найти действительные собственные значения X и отвечающие им собственные векторы. В этом случае собственный вектор представляет собой солитон, не изменяющийся вдоль координаты распространения светового импульса. На двумерной плоскости параметров (а ,ч) проводится вычисление собственных функций высокого порядка, отвечающих устойчивому режиму протекания процесса.

В главе 3 исследуется динамика развития сложных нелинейных нестационарных процессов, которые описываются системами существенно нелинейных уравнений типа уравнений Навье-Стокса, по физическому смыслу не допускающими линеаризацию. Это затрудняет и фактически делает невозможным проведение анализа развития процесса на основе исследования спектра и соответствующих собственных функций, как это делалось в главах 1-2 для нестационарных процессов, описываемых операторами типа Штурма-Лиувилля и Шрёдингера и их нелинейными модификациями.

В §3.1 приводится математическая модель растекания тяжёлых жидкостей и газов по орографически неоднородной поверхности. Для процесса характерно слабое изменение решения по одной из трёх пространственных компонент , что" позволяет провести осреднение исходной трёхмерной системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса по этой компоненте и затем исследовать полученную двумерную модель в среднем слое. Соответствующая система дифференциальных уравнений имеет вид:

где

'--¿КИИ)

Ргн = -^Р<,Р\<р,где(р = (й,у,\?,с,к),

аналогично определяются Рвс'^вь- Начальные распределения физических полей и функции источника задаются.

В §3.2 предлагается численный метод решения поставленной задачи, который был отлажен на модельных задачах, имеющих известное решение и верифицирован в результате сравнения численного решения с известными данными физического эксперимента. В основе метода лежит принцип разделения по физическим процессам. На отдельных этапах решения применяются как разностный метод решения, так и получение аналитического решения.

В § 3.3 демонстрируется применение разработанного метода математического моделирования для модельных задач и для моделирования последствий промышленных аварий на примере аварии газопровода под Уфой [17], а также для моделирования ударного лунного кратера [37]. Приводятся результаты сравнения численного расчёта с известнымиданными МЧС.

В главе 4 исследуется возможность применения разработанного в главе 3 метода математического моделирования для моделирования МГД неустойчивости в двухслойной среде.

В § 4.1 рассматривается математическая модель процесса электролиза алюминия. Система дифференциальных уравнений в частных производных описывает гидродинамические процессы и электромагнитные процессы как в среде металла, так и в среде электролита. В силу слабого изменения решения по высоте возможно провести осреднение исходной системы уравнений Навье-Стокса и тем самым получить двумерную систему гидродинамических уравнений, что существенно облегчает её численное решение. Для вычисления давления в начальный момент времени решается

уравнение Лапласа в двух средах ( соответственно с условиями Дирихле и Неймана). Выписывается полная осреднённая система дифференциальных уравнений [38]: Слой жидкого металла:

Диффузионные члены определяются по формулам:

^ - теплообмен между металлом и электролитом на границе раздела:

=«>№-71)

Так как удельная электрическая проводимость электролита много меньше проводимости алюминия, то Т2 > Г,.

- теплообмен между металлом и дном ванны, температуру которой будем считать постоянной:

=«0(т;-Г0)

/1 - ток в слое металла,

• плотность электромагнитных сил в металле. Слой электролита:

дргК , др2и2И2 дргУгк.

_ -

81 дх

- 21

= ~Р2б

| РРг»г К , др2и2У2Ь2 Э йс й*

+ ^ + - г*, - а" А ^+ЛА

| ср2и2У2И2 | 8р;Уг;Л2 = а б/ йс с>у ду

|(А2 - К (/„)) * (Д2г - /„) - р2('0) 1+

+ ^ + -Рун, +

др^Т^ др2и2с„Т2Н2 др2У2с^Г2И2

а +-&-+—^--^ -Рн>^

Н,1 |Н, 1 са

—Н—К—)

\>Р1) \Р1 ) ЕгРг аг

Диффузионные члены определяются формулами:

^ -компоненты силы трения на верхней границе электролита, при этом под

а в остальной области эти силы равны нулю.

Рщ - характеризует теплообмен с воздухом в каналах:

Заданы следующие граничные условия:

Для скоростей в слое жидкого металла:

Для магнитного поля в металле:

Для плотности электромагнитных сил в металле:

Для скоростей в слое электролитх

анодами:

Для магнитного поля в электролите:

Для плотности электромагнитных сил в электролите:

Силы на границе в электролите заданы равными нулю, потому что плотность тока на границе в электролите есть 0, так как гарнисаж не проводящий.

В качестве начальных данных используются результаты расчетов статики магнитного поля и скоростей в средних слоях обеих сред, проведенные на основе параметров конкретной электролизной ванны по методике (Проворова О.Г., Пингин В.В., Авчинников В.В., Пискажева Т.В., Горин Д.А. Математические модели физических полей в электролизере Содерберга. Магнитная гидродинамика, 1998, т.34, с.375-385.).

В § 4.2 обсуждается численный метод решения поставленной задачи, основанный на методе расщепления по физическим процессам и разностном методе решения на отдельных этапах. Исследуется условие устойчивости разностных схем для решения уравнения адвекции. Приводятся результаты отладки и численного решения с параметрами, отвечающими натурному эксперименту, полученные при помощи программы, реализующей численный алгоритм решения.

В § 4.3 описываются возможности комплекса разработанных вычислительных программ, обсуждаются результаты тестовых расчётов одномерного плоского случая и двумерного случая. Приводятся результаты расчёта границы раздела сред для реальной ванны промышленного производства алюминия.

Основные результаты диссертации. Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Предложен экономичный метод исследования динамики протекания нестационарных процессов, основанный на изучении спектра соответствующих линейных и нелинейных операторов, включающий в себя следующие возможности: -определение границ спектра на комплексной плоскости для линейных операторов -локализация на плоскости спектра операторов с нелинейным вхождением собственного числа; оценка количества собственных чисел, заключённых в данной области на плоскости и поиск отдельных (или всех) собственных чисел и соответствующих им собственных функций

-нахождение собственных функций различных гармоник и соответствующих им собственных чисел для операторов с нелинейным вхождением собственной функции

-исследование кусочно-непрерывного спектра оператора Шрёдингера, вычисление собственных функций, соответствующих собственным значениям различных разрешенных зон.

2. 11а основе разработанных численных методов создан комплекс программ, позволяющий численно моделировать динамические процессы и наглядно визуализировать сценарии их развития. Проведено сравнение результатов численного эксперимента с результатами физического эксперимента.

3. Построена математическая модель растекания тяжёлых жидкостей и газов по орографически неоднородной поверхности, позволяющая описать динамику изменения трёх компонент скорости распространения вещества по поверхности. Модель позволяет учесть трение вещества о поверхность, трение между слоями вещества, влияние внешних факторов, таких как скорость ветра, просачивание вещества в почву, смешение облака с атмосферой. Проведённое математическое моделирование позволяет количественно исследовать многие процессы, протекающие в реальных условиях, и даёт возможность прогнозировать последствия промышленных аварий.

4. Построена математическая модель алюминиевого электролизёра, позволяющая рассчитывать поверхность раздела двух сред (металла и электролита), а также исследовать динамику изменения токов и скоростей веществ на поверхности раздела. Модель позволяет получать количественные характеристики протекания процесса в реальных условиях проведения эксперимента (для конкретных ванн) и выбирать оптимальные параметры управления процессом в целях оптимизации проведения электролиза алюминия.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.Т.Захарчук, Н П.Савенкова. О численном решении одной дифференциальной задачи на собственные значения. Сборник "Матлюделирование физических процессов", МГУ.1982, с.30-33.

2. А.В.Гулин, Л.В.Крежде, Н.П.Савенкова. О разностных методах решения некоторых спектральных задач. Дифференциальные уравнения, 1983, т. 19, № 7, с. 1207-1215.

3. В.И.Высоцкий, Р.Н.Кузьмин, Н.ПСавешсова, О.Ю.Тихомиров. Математическое моделирование процесса каналирования нейтральных частиц в кристаллах. Тезисы доклада на 16 всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.М., май 1986, с. 12-13.

4. В И Высоцкий, Р.Н.Кузьмин, Н.П.Савенкова. Численный анализ ориентационного движения нейтральных частиц в кристаллах. Ж В М и МФ, 1988, т.28, №6, с. 954956.

5. А.В.Кекеши, Л.Н.Лебедева, Н.П.Савенкова. О возможности применения разностного подхода для исследования зонной структуры уравнения Шредингера с периодическим потенциалом. Сб. ВЦ МГУ" Программно-аппаратное мат. обеспечение вычислительных систем", под ред. В.М.Репина, М., 1988, с. 133-139.

6. Савенкова Н.П. Численное определение коэффициента усиления реакции в задаче холодного синтеза. Труды 3-й Международной конференции «Женщины-Математики», Воронеж, 1995, в. 1, с. 141-145.

7. СЛ.Чернышев, В.Т.Захарчук, Н.П.Савенкова. К решению спектральной задачи в теории гидродинамической устойчивости. Сб. "Исследование некоторых задач гидродинамики полета самолета",М., 1989, изд, Физ.-Тех., с. 4-10.

8. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. О локализации спектра задач на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра. ЖВМиМФ, 1990, т.30,№5,с.780-782.

9. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. О вычислении границ комплексного спектра. Вестник МГУ,сер.15,1990, №3, с.30-34.

10. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П., Чернышев С.Л. О численном решении уравнения Орра-Зоммерфельда. Прямые и обратные задачи математической физики. Сб. ф-та ВМиК,МГУ,1991,с.77-84.

11. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. Неявные схемы в алгоритме определения границ комплексного спектра. Вестник МГУ, сер. 15,1994, №2, с. 66-69.

12.0.ВДоброчеев, А. А.Кулешов, Н.П. Савенкова, СВ.Филиппова. Численный расчет растекания тяжелой жидкости в условиях орографически неоднородной поверхности. Математическое моделирование, 1996, т.8, №5, с. 92-105.

13. Г.Ф.Акбашева, Р.Н.Кузьмин, НЛ.Савенкова, СВ.Филиппова. Численное

моделирование упругой деформированной среды при больших значениях чисел Маха. Труды 3-й Межд. конференции" Математика. Компьютер. Образование", Дубна, 1996, с.199-205.

14. Савенкова Н.П., Филиппова СВ. Численное моделирование растекания тяжелых жидкостей по орографически неоднородной подстилающей поверхности. Труды 3-й Межд. конференции, Воронеж, 1996, в. 2, с.255-264.

15. Дорохова Т.В., Савенкова Н.П. Численный алгоритм нахождения нуля в спектре матрицы, зависящей от параметров. Труды 4-й Межд. конференции «Математика.Комт>ютер.Образование», Пущино, 1997, с.97-100.

16. Кузьмин Р.Н., Кулешов ЛА., Савенкова Н.П., Филиппова СВ. Численное моделирование растечения фреона по неровной подстилающей поверхности. Труды 4-й Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование», Пущино, 1997,с.154-159.

17. Р. Н. Кузьмин, А. А. Кулешов, Н. П. Савенкова, С. В. Филиппова. Моделирование аварий на промышленном объекте с истечением тяжелых газов и жидкостей. Математическое моделирование, 1998, т. 10, № 8, с. 33-42.

18. Дорохова Т.В., Савенкова Н.П. Алгоритм вычисления нижней границы спектра для задачи на собственные значения с нелинейным вхождением собственной функции. Труды 2-ой Межд. конференции «Методы конечных элементов: теория и приложения.», т.1 Минск, 1998, с. 105-108.

19. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова СВ. Информационное поле уравнений Навье-Стокса. Физическое образование в Вузах, 1998, т.4, .№3, с. 145-147.

20. Кузьмин Р.Н.,Кулешов АА,Савенкова Н.П., Филиппова СВ. Моделирование аварий с истечением тяжелых газов и жидкостей на промышленном объекте в условиях орографической неоднородности. Труды 1-ой Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии», Москва ,МГУ, 1998, с. 39-45.

21. Кузьмин РЛ.,Кулешов АА,Савенкова Н.П., Филиппова СВ. Математические модели супернакопительных природных процессов. Труды 6-ой Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование» ,Пущино, 1999, ч.2, с.ЗО8-314.

22. Дорохова Т.В, Савенкова Н.П.,Трофимов ВЛ. Численное моделирование солитонных решений задачи распространения фемтосекундного импульса в среде с кубической нелинейностью. Труды 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино,! 999, ч.2, с.283-286.

23. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов ВА О численном решении одной нелинейной спектральной задачи. Труды 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино 1999, ч.2, с. 278-282.

24. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов ВА Алгоритм получения нелинейного дифференциального уравнения с линейным вхождением собственного числа. Вестник МГУ, сер.15,1999, №3, с.9-12.

25. Дорохова Т.В, Савенкова Н.П.Дрофимов ВАЛисленное моделирование солитонных решений задачи распространения фемтосекундного импульса в среде с кубической нелинейностью. Прикладная математика и информатика, сб. ф-та ВМиК, Москва, 1999, №2, с.63-68.

26. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов ВА. Численное исследование решения одной нелинейной задачи. Вестник МГУ, 1999, сер. №15, №3, с.9-11.

27. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов ВА. О численном решении одной нелинейной задачи. Труды 6-ой Межд. конференции " Математика. Компьютер. Образование",Пущино, 1999, с. 278-282.

28. Дорохова Т.В., Савенкова Н.П., Трофимов ВА Численное моделирование солитоновых решений задачи распределения фемтосекундных импульсов в среде с кубической нелинейностью. Труды 6-ой Межд. конференции « Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1999, с. 283-286.

29. Дорохова Т.В, Савенкова Н.П. Численный алгоритм нахождения первых собственных значений и соответствующих им собственных векторов для задачи с нелинейным вхождением собственной функции. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование», Дубна, 2000,ч.2,с.591-596.

30. Дорохова Т.В, Савенкова Н.П., Трофимов ВА Численное моделирование солитонов сложной временной формы импульсов фемтосекундной длительности. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование», Дубна, 2000, ч2, с. 393-402.

31. Кузьмин Р.Н., Кулешов АА, Рогожин Д.В., Тишкин В.Ф., Савенкова Н.П., Пингин В.В., Поляков П.В., Проворова О.Г. Двухслойная математическая модель алюминиевого электролизёра. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2000, ч.2, с.423-428.

32. Кузьмин Р.Н., Кулешов АА, Савенкова Н.П., Зырянов ЮА Математическое моделирование ударных лунных кратеров. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2000, ч.2, с. 429-436.

33. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П. "Собственные векторы и собственные числа нелинейной задачи". Труды 8-ой Международной конференции "Математика.Компыотер.Образование", Пущино, 2001, ч.2, с.399-405.

34. Кузьмин Р.Н., Кулешов АА, Проворова О.Г., Поляков П.В., Пингин В.В., Савенкова Н.П. " Нестационарная модель движения расплава в электролизной ванне ". Труды 4-ого сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике. (ИНПРИМ-2000), Новосибирск, 2001 с.96-102.

35. Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г.,Савенкова Н.П. Математическое моделирование физических полей в алюминиевом электролизере. Труды 9-ой Межд. конференции « Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2002, ч. 2, с. 443-453.

36. Алаторцев А.В., Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г., Савенкова Н.П. Численное моделирование магнито-гидродинамических процессов в алюминиевом электролизере. Труды 10-ой Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование", Пущино, 2003, ч. 2, с.243-253.

37. Кузьмин Р.Н., Кулешов АА, Савенкова Н.П. Моделирование ударных лунных кратеров. Математическое моделирование, 2003, т.15, №2, с. 83-88.

38. Алаторцев А.В., Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г., Савенкова Н.П.. Математическое моделирование магнитно - гидродинамических процессов в алюминиевом электролизере. Сб. "Прикладная математика и информатика", М, МАКС Пресс, 2003,№15,с.46-61.

»13146

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 20.04.2004 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 450. Тел. 939-3890,939-3891,928-1042. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова.

Введение.

Глава 1. Исследование устойчивости нестационарных процессов, описываемых дифференциальными операторами с линейным вхождением собственной функции.

§1.1. Вычисление граничных точек комплекс, юго спектра линейной неэрмитовой задачи на собственные значения.

1.1.1. Некоторые асимптотические свойства системы дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

1. 1* .2. Алгоритм нахождения граничных точек комплексного спектра.

1.1.j- Модификации алгоритма RBS.

1Л .4 Численный алгоритм построения кривых устойчивости на плоскости параметров.

§ 1.2 Нахоясдение границ спектра обобщенной задачи на собственные значения.

1.2.1. Алгоритм нахождения границ спектра обобщенной алгебраической задачи на собственные значения.1.

1.2.2. Численное исследование устойчивости течений Пуазеля и Блазиуса в рамках краевой задачи на собственные значения для уравнения Орра-Зоммерфельда.

§ 1.3 Численное исследование спектра задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра.

1.3.1 Алгоритм нахождения границ спектра симметричной положительно определённой задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра.

1.3.2 Качественное исследование устойчивости в заданном интервале симметричной задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра.

У 1.3.3 Локализация спектра задач на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра.

1.3.4 Алгоритм решения нелинейной задачи.

§1.4 Численный метод нахождения кусочно-непрерывного спектра.

1.4.1. Двумерная задача Шредингера с периодическим потенциалом.

1.4.2. Модельная задача для уравнения Шредингера с периодическим потенциалом.

1.4.3. Анализ численных расчётов.

В диссертации изучаются различные методы исследования устойчивости нестационарных нелинейных физических процессов. Рассматриваются три вида физических процессов: 1) процессы, в которых возможно проведение линеаризации относительно известного невозмущенного решения ; 2) процессы, в которых линеаризация недопустима, т.к. ведёт к искажению сущности физического явления; 3) существенно нелинейные физические процессы, математическая постановка которых базируется на уравнениях адвекции и магнитной гидродинамики.

В процессах первого вида, как правило, проводится разделение пространственных и временных переменных, приводящее к решению задач на собственные значения с линейным или нелинейным вхождением спектрального параметра. Исследование устойчивости решения тем самым сводится к исследованию расположения спектра на комплексной плоскости.

Процессы второго вида допускают возможность нахождения решения определённого типа, например, типа солитонов, в котором пространственные и временные переменные также разделены специальным образом. В результате задача сводится к нахождению решения нелинейного дифференциального уравнения, в которое спектральный параметр входит линейно.

Сведение задач третьего вида к задачам, решение которых зависит от спектрального параметра, практически невозможно. Поэтому исследовать устойчивость таких процессов возможно лишь при непосредственном решении нестационарной системы уравнений, достаточно адекватно описывающей физический процесс. Т.о. возникает задача адекватного моделирования и эффективного численного решения нестационарных систем дифференциальных уравнений.

В диссертации предлагаются методы исследования устойчивости перечисленных выше трёх типов физических процессов. К методам предъявляются следующие требования:

1. Предсказать динамику протекания процесса на основе исследования спектра соответствующей стационарной задачи в случаях возникновения : -линейной задачи на собственные значения типа Штурма-Лиувилля

-задачи с нелинейным вхождением собственного числа и линейным вхождением собственной функции

-задачи с линейным вхождением собственного числа и нелинейным вхождением собственной функции

-задачи с кусочно-непрерывным спектром для оператора Шредингера.

2 .Исследовать динамику протекания нестационарного процесса , предварительно проведя математическое моделирование процесса на основе использования многомерного оператора Навье-Стокса для:

-задачи растекания тяжёлых жидкостей и газов по орографически неоднородной поверхности

-задачи электролиза алюминия.

При исследовании устойчивости физических процессов в механике жидкости и газа [46-50], технических конструкций [51-52], обычно приходят к решению дифференциальных задач на собственные значения. При этом требуется найти одно или несколько собственных чисел и собственных функций, характеризующих устойчивость или неустойчивость исследуемого процесса. Если дифференциальная задача на собственные значения решается разностным методом [53], то возникает необходимость исследования спектра алгебраической задачи на собственные значения для разреженных матриц большого порядка. Причём часто требуется найти собственные числа, имеющие максимальную действительную или мнимую часть, и собственные векторы, отвечающие этим собственным числам, поскольку такие собственные числа определяют инкремент роста или декремент затухания процесса. Аналогичные собственные числа требуются и при рассмотрении чисто математических проблем ( например, в теории разностных схем и при построении вычислительных алгоритмов) [53-54].

Хорошо известный класс степенных методов [55-57] в случае комплексных собственных чисел и отсутствия начальных приближений к искомым собственным числам позволяет найти только экстремальные по модулю собственные числа. Поэтому в случаях, когда спектр задачи комплексный, для определения инкремента (декремента) неустойчивости (устойчивости) приходится решать полную проблему собственных значений [58],что является не всегда осуществимо в силу ограниченности памяти ЭВМ и длительности времени расчёта. В работах [58-60] предложен метод, позволяющий вычислить несколько собственных чисел с максимальной или минимальной действительными частями большой разреженной несимметричной матрицы, но при этом метод требует наличия априорной информации о расположении спектра. Для численного исследования свойств решений некоторых задач, например, при построении нейтральных кривых устойчивости, также неэффективно искать весь спектр матрицы, часто достаточно найти только одно собственное число и соответствующий ему собственный вектор.

Наиболее используемыми методами решения частичной проблемы собственных значений являются следующие методы: метод бисекции, степенной метод, метод обратных итераций и его различные модификации [3,53,55,79]. Однако при отсутствии начального приближения эти методы также не позволяют вычислить инкремент (декремент) процесса.

В настоящей работе предлагается и обосновывается алгоритм, позволяющий найти собственные числа, имеющие максимальную действительную и минимальную действительную части или максимальную и минимальную мнимую часть и собственные функции, отвечающие этим собственным числам. Предложенный алгоритм особенно эффективен для разреженных матриц, т.к. он сохраняет разреженности в процессе вычислений. Метод не требует также априорного знания начальных приближений к искомым собственным числам. Отметим, что в [61] подобный алгоритм рассматривается только для случая, когда собственные числа с максимальной (минимальной) действительной частью являются действительными.

В диссертации демонстрируется применение предложенного алгоритма к численному исследованию устойчивости течений Пуазейля и Блазиуса в рамках краевой задачи на собственные значения для уравнения Орра-Зоммерфельда. Известны несколько подходов к решению задач такого рода. Один из них изложен в [62], где дифференциальная задача Орра- Зоммерфельда с помощью конечно-разностного метода сводилась к алгебраической проблеме собственных значений, для решения которой использовался один из вариантов прогонки, либо решалась полная проблема собственных значений [9].

Другой подход в решении задач гидродинамической устойчивости заключается в непосредственном численном интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений возмущённого движения [63-65]. Обычно при этом используется метод стрельбы для решения краевой задачи. Основной недостаток метода состоит в необходимости наличия априорной информации о распределении спектра, а эффективность метода определяется выбором начальных приближений искомых параметров, что само по себе является самостоятельной проблемой.

При изучении ряда процессов (в системах с запаздыванием [66-67], в физике плазмы [68]) математическая постановка сводится к исследованию спектра алгебраической задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра. При решении таких задач обычно пытаются свести к линейной [68], т.к. решение линейной задачи достаточно хорошо изучено [55-57,70] и соответствующая литература представлена гораздо шире, чем литература по решению нелинейных спектральных задач. В случаях, когда задачу с нелинейным вхождением спектрального параметра невозможно свести к линейной задаче на собственные значения, как правило требуется определить: 1 .Область локализации на комплексной плоскости всех или части собственных значений ( например, собственных значений с ЯеЛ>0).

2.Количество собственных значений в заданной части комплексной плоскости( например, в правой полуплоскости).

3.Величины всех или части собственных значений с максимальной действительной частью.

С математической точки зрения в задачах устойчивости наиболее трудным является вопрос о локализации спектра, т.к. какое бы собственное число мы ни вычислили, всегда надо знать, является ли оно искомым, т.е. тем, которое отвечает за устойчивость или неустойчивость процесса и должно быть крайним в области локализации ( например, самым правым или самым верхним). Поэтому чаще всего спектральную задачу решают в уже заданной области локализации спектра, которая, определяется из физических соображений. Однако это не всегда удаётся сделать.

В диссертации предлагается и обосновывается подход, позволяющий локализовать спектр для широкого класса алгебраических задач на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра ( к нему, например, относятся задачи, которые получаются из систем обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздыванием[66-67], дробно-линейные задачи на собственные значения [68]). Заметим, что в линейном случае локализовать спектр можно с помощью теоремы Гершгорина [71].

Определить число собственных значений нелинейной спектральной задачи, находящихся в заданной области комплексной плоскости, можно с помощью известных алгоритмов, основанных на теоремах о нулях аналитических функций[72-73]. Зная, где на комплексной плоскости находятся все или часть собственных значений и сколько их, можно приступить к их нахождению. Тут в основном используются итерационные метод, которые в большинстве случаев сводятся к вычислению нулей некоторой функции /(Л) . Например, в работах [18,74] в качестве /(Л) берётся младший диагональный элемент треугольного разложения матрицы В(Л)=А(Л)-Л Е в работе [75] /(Л)=с1е1В(Л) и /(Л)=Рп(Л), в работах [72-73], где Рп(Л) - полином степени п от Л.

Что касается других подходов к решению задач на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра, то можно назвать перенос обычного метода обратных итераций на нелинейную проблему собственных значений [76], итерационный метод последовательных линейных задач [77], а также метод сеток [78].

Т.о. в литературе достаточно широко представлены численные алгоритмы для решения линейных по собственному вектору задач с нелинейностью по собственному значению [79-85], и при этом практически не рассматриваются задачи, нелинейные по вектору. Единого механизма решения таких задач не существует. Большинство работ в этой области посвящено аналитическому исследованию свойств определенных достаточно простых типов задач в некоторых пространствах. Например, в работах [86-87] исследуется задача ф(и)=ХЧ"(и), мбФ"'(а), где ф(и)=— J|Vm|2 dx - — Jm2 dx, vP(m)= определены в пространстве

2 n 2 n n q(Q). Автор доказывает, что в зависимости от того, является а положительным или отрицательным, задача имеет одно или два решения.

В конце 70-х годов группа немецких математиков (Kurt, Lackner, Amann и другие) предложили численный метод решения нелинейных задач, основанный на методе Пикара [78,79,88-95]. Рассматривались задачи типа f(x,U(x)) = XL(u), хеП, U(x) = 0, хедП, n где L(u)=- dt{ал(х)дкU(х)) + д(х), QcRN, "к - действительное положительное собственное значение, при условии, что функции/ aik и граница дО. достаточно гладкие, а матрица А = (aik) симметричная и положительно определенная. Такие задачи возникают в физике плазмы. Авторы предлагают следующий итерационный метод решения дифференциальных задач на собственные значения

Шаг 1 (Итерационный метод Пикара) < L(un+l)=f(x,un(x)), xeQ, С7л+1(д:)=0, хеП.

Шаг 2 (Нормализация) ^ и -1 ^ |гу л+1 £угл+1

Таким образом, авторы рассматривали только те задачи, у которых нелинейная часть уравнения является функцией от U, производные U' не входят в нелинейную правую часть уравнения. И при этом в работе не предложен алгоритм для нахождения собственного значения, находится только собственный вектор и не определяется, какой моде соответствует этот вектор. Численные результаты для такого типа задач получаются с достаточной точностью, но четкого доказательства сходимости нет. В работе [114] рассматриваются дифференциальные задачи типа

-Аи=X/'(«), ueQ, и = 0, uedCl, где и = и(х) - действительная функция, определенная в области QcRw, Xдействительное собственное значение. Авторы получают решение ([и,Х), численно исследуя следующую вариационную задачу минимизации

Е(и):=— [[Vm|2 dx -» min на Jf(u)dx = y 2 n n для различных ограниченных значений у. При этом авторы получают только собственный вектор, соответствующий минимальному собственному значению. С помощью рассмотренного метода нельзя найти остальные собственные значения и векторы.

Существует целый класс задач, в которых для исследования устойчивости решений практически невозможно использовать описанный выше подход изучения спектра специально построенных вспомогательных систем уравнений. К таким задачам относятся задачи исследования динамики растекания тяжёлых жидкостей и газов по орографически неоднородной поверхности, а также задача исследования магнитно-гидродинамической неустойчивости в алюминиевом электролизёре. Поэтому наиболее эффективным методом исследования решения здесь является метод адекватного математического моделирования исследуемых процессов.

Проблема экспериментального исследования физического механизма рассеяния тяжёлых газов впервые возникла в семидесятые годы в связи с необходимостью практического решения задач промышленной безопасности [97]. В первой серии экспериментов основное внимание уделяется исследованию макроэффектов распространения облаков. Изучались размеры облаков и средние концентрации в них примесей тяжёлых газов в зависимости от мощности и характера выброса, состояния окружающей среды. В небольшом числе работ основное внимание было уделено изучению турбулентных характеристик процесса рассеяния.

Для разрешения многих вопросов относительно механизма процессов переноса вещества и энергии в тяжелых газах были поставлены специальные эксперименты. Наиболее полная серия опытов по рассеянию тяжелого газа была выполнена в Англии в 1982-1984 гг. на полигоне острова Торни-Айленд [30]. Исследовалось рассеяние больших объемов предварительно подогретой до температуры окружающего воздуха смеси фреона-12 и азота. Контейнер с газом объемом 2000 м3 представлял собой разборный пластиковый цилиндр высотой 13м. Его конструкция предусматривала возможность быстрого раскрытия стенок и практически мгновенного истечения смеси. Эксперименты финансировались группой промышленных компаний топливно-энергетического направления различных стран мира.

Так как проведение натурных экспериментов в условиях реальных предприятий в большинстве случаев является невозможным, то основным инструментом исследования процесса рассеяния облаков тяжелых газов, испускаемых промышленным объектом, является метод математического моделирования. Он включает в себя анализ физики всех фаз явления, построение на этой основе математической модели общего процесса, разработку численных методов и алгоритма решения задачи, написание компьютерной программы и проведение вычислительных экспериментов. На сегодняшний день задача описания рассеяния облака тяжелого газа в условиях термической и орографической неоднородностей, как отмечается в обзорах [96], [97], является одной из наиболее актуальных в промышленной безопасности.

При численной реализации трехмерных моделей рассеяния тяжелых газов используются конечно-разностные методы, реже - метод конечных элементов [98], [99]. Для численного f- t моделирования пространственных течении горячих масс газа (в качестве математической модели выбрана полная система уравнений Навье - Стокса для сжимаемого теплопроводного газа) использовалась конечно-разностная методика, основанная на явной 3-х шаговой схеме расщепления по физическим процессам [100]. Иногда используется описание диффузии в переменных Лагранжа наряду с описанием конвекции в переменных Эйлера [99]. В работе [101] на основе явного метода Годунова построена схема для численного моделирования 3-х мерных нестационарных уравнений Навье - Стокса. Конвективный член дискретизируется явно, а вязкий - неявно.

В настоящее время известно достаточно большое количество численных методов решения уравнений Навье - Стокса, описывающих течение несжимаемой вязкой жидкости. Большая часть этих подходов была разработана применительно к системе уравнений относительно функции тока и вихря [102]. Общим недостатком этих методов является использование в том или ином виде граничного условия для вихря на твердой поверхности тела, которое отсутствует в физической постановке задачи. Наличие дополнительного итерационного процесса, связанного с указанным граничным условием для вихря, лимитирует скорость сходимости численных алгоритмов. Очевидная ограниченность методов решения системы связана с невозможностью развития их на случай исследования пространственных потоков вязкой жидкости, а также течений сжимаемого газа, объясняет возросший в последнее время интерес к численному решению уравнений Навье -Стокса, записанных в естественных переменных.

По данным работы [96] к 1987 г. в мире существовало более сорока специализированных программ расчета аварийного рассеяния в трехмерном пространстве. Основной трудностью при численном моделировании процесса распространения примеси в атмосфере является ограниченная емкость памяти и скорость современных вычислительных машин.

Отметим еще один важный момент. Одной из главных задач вычислительных методов расчета выброса в окружающую среду вредных химических отходов предприятий является расчет полей температур и концентраций, вызываемых такими выбросами в атмосфере и поверхностных водах [103]. Распространение загрязняющих веществ в жидких средах определяется двумя процессами: конвективным переносом вследствие осредненного движения среды и диффузией за счет турбулентности. Поэтому математическая модель должна правильно описывать как поле средних скоростей, так и характеристики турбулентной диффузии. Система точных уравнений, описывающих во времени все детали эволюции поля скорости и скалярных полей в практической задаче не может быть решена с помощью современных вычислительных средств. В настоящее время существует единственный экономически оправданный выход: решать уравнения осредненного движения, которыми определяется распределение осредненных по времени величин [103]. При этом время осреднения должно быть много больше временного масштаба турбулентности, но много меньше временного масштаба осредненного течения (например, суточного цикла в пограничном слое атмосферы). Обычно только средние величины и имеют практический смысл. Уравнения осредненного движения содержат члены турбулентного переноса. Для замыкания системы уравнений эти члены должны быть аппроксимированы с помощью определенной модели турбулентности. В некоторых случаях вполне достаточно лишь приближенного описания характера турбулентности. Так, в задачах о больших водных массах, значения турбулентной вязкости и коэффициент турбулентной диффузии обычно принимают постоянными. Более сложные модели в таких задачах себя не оправдывают из-за значительной неопределенности в задании граничных условий и погрешности в численном решении. Для других задач, в частности, при расчетах полей вблизи источников, требуются уже более точные модели. Сложность модели турбулентности зависит от условий конкретной задачи.

Во многих случаях . в потоках со свободными поверхностями средние значения характеристик потока слабо меняются в вертикальном направлении, так что изменение этих величин в горизонтальном направлении можно определить, решая двумерные уравнения среднего течения для осредненных по глубине значений [103]. Уравнения среднего течения для осредненных по глубине величин можно вывести, интегрируя 3-х мерные уравнения по глубине в предположении, что распределение давления является гидростатическим. Такая модель была построена для жидкости, однако газ автором модели не рассматривался.

К недостаткам известных численных моделей рассеяния тяжелых примесей следует отнести излишнюю идеализацию граничных условий на поверхности земли [96]. Обычно она полагалась гладкой, что не соответствует наиболее важным случаям реальной действительности. Это говорит лишь о начальной стадии исследования явления с помощью современных математических и вычислительных средств.

Ещё более сложной является задача изучения магнитно-гидродинамических неустойчивостей в алюминиевом электролизёре. Математическое моделирование проводится здесь сразу в двух средах, металле и электролите, и имеет две основные цели:

1.Получение основных полей в стационарном состоянии.

2.Изучение механизмов, вызывающих волнообразование на поверхности металла. МГД-явления изучаются комплексно, включая натурные измерения, физическое и математическое моделирование [104-113] и др. Измерение циркуляции электролита и алюминия на промышленных электролизёрах методом радиоактивных изотопов впервые было предпринято в работе [104], позднее, также методом радиоактивных изотопов в [105] были получены схемы движения расплавов, подобные [104,106]. Траектории движения металла, скорость в металле были измерены методом растворения железных стержней [107].

Преимущества математического моделирования заключаются в быстроте, многовариантности и экономичности проведения исследований. В настоящее время можно выделить три вида моделей для описания физических полей в алюминиевом электролизёре. Первый из них, например, [108] основан на двумерных уравнениях Навье -Стокса и к - е модели турбулентности; учитывается только движение в горизонтальной плоскости, не учитывается вертикальный перенос импульса, т.е. трение относительно узких слоев жидкости о дно ванны, нижнюю поверхность анода и между собой. Второй подход - это рассмотрение движения металла, электролита, распределения температуры в вертикальном разрезе, представляющий собой систему уравнений тепло-электропереноса, Максвелла и Навье - Стокса [109] Этот подход не позволяет получить распределение температур и линии течения в планарной плоскости, тем не менее, конвекция учитывается с помощью эффективного коэффициента теплопроводности. Третья, наиболее распространённая в настоящее время модель Моро-Эванса [110]. Одна из главных идей в формулировке этой модели состоит в том, что основной интерес представляет описание течения средних слоев жидкостей. Как следствие этого в уравнении движения в горизонтальной плоскости учитывается трение слоев друг о друга. Следующий шаг - это оценка значений вклада каждого члена в уравнение для моментов движения. В результате разность между электромагнитным силами и градиентом давления уравновешивается силами трения, которые предполагаются пропорциональными скорости. Для определения граничных условий в электролите включаются большие каналы. Позднее эта модель получила своё развитие в работе [111], где предложен метод для расчета стационарного электромагнитного поля в предположении, что распределение электромагнитных величин при продольном расположении электролизеров в серии двухмерно и не зависит от координаты х вдоль длинной стороны ванны. Для расчета магнитного поля от соседнего ряда электролизеров последний представляется как линия с током, равным по модулю току серии. Магнитное поле от соседнего ряда электролизеров и от ошиновки считается по закону Био-Савара-Лапласа для отрезка с током. Для нахождения магнитного поля от токов, текущих внутри электролизера из всех возможных решений уравнения V2B=0 выбираются те, которые соответствую простейшему распределению плотности тока в жидкости, как линейной функции координат. Это позволяет получить решение гидродинамических уравнений в виде аналитических выражений. В [112] авторы описывают методику расчёта распределения тока и магнитных полей для конкретной конструкции электролизёра. Далее в ряде работ, например [45,113] также используется модель Моро - Эванса. Для расчёта магнитного поля используются замеры магнитного поля по периметру ванны. Наблюдается совпадение рассчитанных траекторий движения металла с экспериментальными, полученными в [107].

Тем не менее, никакие модели не могут претендовать на точное описание процесса в электролизёре. Даже использование пакетов программ известных фирм показывает значительное расхождение в числовых значениях вычисленных и измеренных значениях 2- компоненты магнитного поля. Задача состоит в том, чтобы на основании модели можно было судить о том, как изменения конструкции и технологических параметров отражаются на количественных и качественных характеристиках процессов, происходящих в электролизёре.

Приведём краткий обзор содержания диссертации.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются основные задачи, цель работы, научная новизна. Определяется её научная и практическая ценность, приводится структура диссертации.

В первой главе рассматриваются процессы, исследование устойчивости которых целесообразно сводить к исследованию расположения спектра дифференциальных операторов на комплексной плоскости. Задача на собственные значения в этом случае возникает из исходной постановки путём использования метода поиска решения конкретного вида, который соответствует определённому типу решения дифференциальной задачи, отвечающему за устойчивость самого процесса. Специальное представление решения обуславливает разделение пространственных и временных переменных , что и ведёт к возникновению задач на собственные значения, в которых по расположению собственных значений на комплексной плоскости можно судить об устойчивости протекания нестационарного процесса, а сами собственные числа позволяют пересчитать инкременты неустойчивости процессов в пространстве исходных параметров.

Если исходный дифференциальный оператор был линейным или линеаризован перед разделением пространственных и временных переменных, то возникающая задача на собственные значения линейна по собственной функции, но сам спектральный параметр может входить в оператор как линейно, так и нелинейно.

В § 1.1 рассматривается задача на собственные значения с линейным вхождением собственной функции V(x) и собственного числа А, которая возникает при исследовании устойчивости бриллиюэнового течения плазмы. Задача формулируется в виде дифференциального уравнения четвёртого порядка: сп х ах у ах сп х J

О <x<L, v{o)=vn(o)=o, V(L)=V(L)=О,

В диссертации предлагается метод построения кривой нейтральной устойчивости на двумерной плоскости входных параметров (а , s) , разделяющий устойчивый режим протекания процесса (все собственные значения меньше нуля) от неустойчивого (в спектре существует хотя бы одно положительное собственное значение). В основе метода находится разработанный в [1-2 ] алгоритм нахождения границ спектра на комплексной плоскости (RBS-метод) для стандартной алгебраической задачи на собственные значения. При этом нет необходимости решать полную проблему собственных значений, что существенно экономит время расчётов. Кроме того, экономия оперативной памяти ЭВМ, присущая данному методу , позволяет брать достаточно мелкие сетки расчёта для достаточно больших значений длины отрезка расчёта L .

В §1.2 исследуется обобщённая задача на собственные значения с линейным вхождением собственных функций <р(у) и собственного числа X. Задача возникает при исследовании течений Пуазейля и Блазиуса в рамках краевой задачи на собственные значения для уравнения Орра-Зоммерфельда и в исходной постановке описывается дифференциальным уравнением четвёртого порядка (см. [ 8 ]) р{4) =d(y,A)<p" -д(у,Л)(р d(y,X) = 2 a1+XR + iaRU(y) q(y,A) = а4 + iaRU"(y) + Ra2 Л + ia3RU(y)

Здесь Л= -iac, i -мнимая единица, а -волновое число, R -число Рейнольдса невозмущенного течения, с -фазовая скорость, U(y) -профиль безразмерной скорости. Если 1т с < 0, то происходит затухание, если 1т с > 0, то имеет место нарастание колебаний.

Граничные условия для течения в канале записываются в виде

Р\У-± 1 =H,-±i =0

Граничные условия для течения в пограничном слое имеют вид

В работе предлагается обобщённый метод RBS для построения в плоскости параметров (а , R) кривой устойчивости. Метод эффективен и экономичен, поскольку не требует вычисления в каждой точке плоскости параметров всего спектра обобщённой матричной задачи на собственные значения вида Аи=ХВи. Благодаря использованию обобщённого метода RBS в данном случае достаточно исследовать знак ReX на плоскости параметров (a, R).

В §1.3 рассматривается задача с линейным вхождением собственной функции и нелинейным вхождением собственного числа. Предлагается численный метод, позволяющий ответить на следующие вопросы: -Где на комплексной плоскости локализован спектр задачи? -Сколько собственных чисел имеет задача заданной области плоскости? -Позволяет найти отдельные (или все) собственные числа. -Позволяет найти соответствующие собственным числам собственные функции.

Исследуется сходимость метода. Демонстрируется применение метода для задачи с дробно-линейным вхождением собственного значения вида (см. [12-17 ]):

0</С, <\ + К(х,Л)<К2, Л> О, К(х,Л) е С' [0,1] по х, г(х,Х)е.С1 по Л, < Кг.

Эта задача является модельной для исследования устойчивости электронного течения в коаксиальной магнитной линии при условии самоизоляции и для задачи с квадратичным вхождением собственного числа. Подобные уравнения возникают при решении задачи флаттера, математическая постановка которой сводится к решению матричного дифференциального уравнения {ЛгЕ + ЛО + В)й = 0, Х = 5 + ico

Квадратные матрицы В и D заданы и зависят от параметра v (скорости полёта самолёта). Требуется с фиксированной точностью е определить критическую скорость vKp, равную минимальному значению скорости, для которого в спектре задачи появляется хотя бы одно собственное значение Лкр, не принадлежащее заданной области G.

В этом же параграфе 1.3 преложенный метод применяется к решению задачи с запаздыванием, в которой собственное число входит экспоненциально : D(A)u =(А + ЛВ + Се'*)и = 0

Где В = С = Е (Е- единичная матрица), А -трёхдиагональная .

Предложенный в §1.3 численный метод исследования устойчивости нестационарных процессов был отработан на тестовых примерах, для которых известны аналитические решения, и применён к конкретным прикладным задачам с различным типом нелинейного вхождения собственного числа. м(0) = м(1) = 0, К(х,Л) = -{Щ^

Л + <р(х при выполнении условий

В §1.4 исследуется задача на собственные значения, имеющая кусочно-непрерывный спектр и возникающая при изучении процесса каналирования электронов (см.[23]). Физический процесс описывается двумерным дифференциальным уравнением Шредингера с условиями периодичности на концах отрезка:

Г"»(Х'У) + У1у(х>У) + (л~ V{x,y))if/{x,y) = О

-00 <X < +00, —со<у< +00

И*оО|±в1 <«>

V(x,y) = V(x + naXiy + ma2)\ п,т = 0,±1,+2,.

Предлагаемый в диссертации численный метод решения тестируется на модельной задаче, имеющей аналитическое решение. Волновая функция при этом ищется в виде функции Блоха . Численный метод позволяет строить разрешённые и запрещённые зоны спектра для каждой моды. Особое внимание уделяется вычислению собственных функций, при помощи которой решается задача заселённости энергетических уровней .

В главе 2 проводится исследование устойчивости процессов, которое сводится к изучению структуры собственных функций дифференциальных операторов, описывающих динамический процесс. Устойчивому режиму протекания процесса при этом соответствует существование решения определённого вида, например, типа солитона, для конкретных значений исходных параметров.

Как показывает сопоставление результатов численного расчёта с данными физического эксперимента, часто линеаризация исходной системы уравнений приводит к уничтожению эффекта нелинейности, т.е. ведёт к неадекватному математическому моделированию. Предварительная линеаризация недопустима, например, в существенно нелинейных дифференциальных уравнениях. Примером такой задачи может служить исследование устойчивости фемтосекундных импульсов в среде с кубической нелинейностью.

В § 2.1 предлагается методика построения кривых нейтральной устойчивости на двумерной плоскости параметров для задач на собственные значения с нелинейными вхождением собственной функции и линейным вхождением собственного числа. Методика отработана на модельных задачах, имеющих аналитическое решение.

В §2.2 численно исследуется нелинейная задача, имеющая аналитическое решение. Приводятся практические рекомендации по использованию разработанной в § 2.1 методики решения.

В §2.3 демонстрируется применение предлагаемой методики к задаче исследования распределения фемтосекундных импульсов в фотонном кристалле. Процесс распространения фемтосекундного импульса в слоистой среде с учетом кубичной нелинейности описывается следующим уравнением [28]: т л2г г z{z)-— + i + + fa(z)|f/|2f/ = 0, 0 <z<L, t>0,

U(0,t)=U{L,t)=0, t>0, U(z,0) = U0(z), 0<z<L,

Здесь введены обозначения: ч fe,. (dl+d2Xj-\)<Z<dl+(dl+d2Xj-\),

4Z) |e2, dx +djj-l)<z<(dl +d2)j, e, и s2 - диэлектрические проницаемости слоев; ч fa,- {d^d2\j-\)<z<dx + (rf, + d2X/-1), a{Z) \a2, d, +d2Xj-\)<z<(dl +d2)j. коэффициенты a, и a2 характеризуют кубичную нелинейность отдельного слоя; j = 1,. .,Nstr, где Nstr - число слоев;

4пП p=-7iQ; СО 2тtC 27IC fi=——, где со =- — размерная частота света, ^ 'а - частота периодическои Р структуры, ^ + d2 , следовательно, Q =

Я, = Jl£i<l, - толщины слоев.

Представив решение задачи в специальном виде U(z,t)=A{z)eiX', получим задачу на собственные значения с нелинейным вхождением собственной функции в оператор

D д2Л

-Р А--\А\2 А = ХА, 0<z<L,

8 dz a(o)=a(l)=o.

Проблема построения солитонных решений для задач распространения фемтосекундных световых импульсов в среде с кубичной нелинейностью актуальна в связи с задачами передачи информации по оптическим волокнам. В этом случае, как известно, солитон распространяется без пространственных искажений. Безразмерные уравнения, описывающие рассматриваемый процесс, впервые введены в [29]. Уравнения имеют вид

1а\и\ги + уаЦи\ги)=0, 0<t<L, z>О dz dt1 11 dt4 1 ' U(z,0)=U(z,L)=0, u(o,t)=uM

Решение типа солитона может быть записано в специальном виде

U{z,i)=A{t)eiX\ Соответствующая задача на собственные значения имеет вид: a\A\2A'iya-^f\A\2А)=-\А, О<i<L, с условием нормировки

И<11,=М<Р<=>> о где |л(;с)|2 - интенсивность импульса, а и у — действительные параметры, "к - собственное значение (декремент (инкремент) затухания), t - время, L - размер исследуемой области. Для заданных значений параметров а и у необходимо найти действительные собственные значения X и отвечающие им собственные векторы. В этом случае собственный вектор представляет собой солитон, не изменяющийся вдоль координаты распространения светового импульса. На двумерной плоскости параметров (а ,у) проводится вычисление собственных функций высокого порядка, отвечающих устойчивому режиму протекания процесса.

В главе 3 исследуется динамика развития сложных нелинейных нестационарных процессов, которые описываются системами существенно нелинейных уравнений типа уравнений Навье-Стокса (т.е. уравнениями с сильной обратной связью), по физическому смыслу не допускающими линеаризацию. Это затрудняет и фактически делает невозможным проведение анализа развития процесса на основе исследования спектра и соответствующих собственных функций, как это делалось в главах 1-2 для нестационарных процессов, описываемых операторами типа Штурма-Лиувилля и Шрёдингера и их нелинейными модификациями.

В §3.1 приводится математическая модель растекания тяжёлых жидкостей и газов по орографически неоднородной поверхности. Для процесса характерно слабое изменение решения по одной из трёх пространственных компонент , что позволяет провести осреднение исходной трёхмерной системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса по этой компоненте и затем исследовать полученную двумерную модель в среднем слое. Соответствующая система дифференциальных уравнений имеет вид : dpwS dpuwd dpvwS

• + dt дх ду дрд дрйЗ dpvS FDw + FwH +w|ieSo -Q, Q, dt дх ду д~рсд дрис5 dpvcd dt дх ду FDc + FcH +FC2q +c\zeSo

Q, dph5 dpuhd dpvhS | at ax ду о ^ где д ( ^дйЛ д ^дй

Du дх J ду ^ ду

F9H =-^p0\U\<p,ede<p = (u,v,w,c,h), F^ = -g¥ p\u\ij/, где ц/ = (ы, v, ,w,h),

F =—{pv5— ckv дх) ду „ dw pv5 ду аналогично определяются FDc,FDh. Начальное распределение скоростей, размеры облака и функции источника считаются заданными.

В §3.2 предлагается численный метод решения поставленной задачи, который был отлажен на модельных задачах, имеющих известное решение и верифицирован в результате сравнения численного решения с известными данными физического эксперимента. В основе метода лежит принцип разделения по физическим процессам. На отдельных этапах решения применяются как разностный метод решения, так и получение аналитического решения.

В § 3.3 демонстрируется применение разработанного метода математического моделирования для модельных задач и для моделирования последствий промышленных аварий на примере аварии газопровода под Уфой [39], а также для моделирования ударного лунного кратера [40]. Приводятся результаты сравнения численного расчёта с известными данными МЧС.

В главе 4 исследуется возможность применения разработанного в главе 3 метода математического моделирования для моделирования МГД неустойчивости в двухслойной среде.

В § 4.1 рассматривается математическая модель процесса электролиза алюминия. Система дифференциальных уравнений в частных производных описывает гидродинамические процессы и электромагнитные процессы как в среде металла, так и в среде электролита. В силу слабого изменения решения по высоте возможно провести осреднение исходной системы уравнений Навье - Стокса и тем самым получить двумерную систему гидродинамических уравнений, что существенно облегчает её численное решение. Для вычисления давления в начальный момент времени решается уравнение Лапласа в двух средах (соответственно с условиями Дирихле и Неймана). Выписывается полная осреднённая система дифференциальных уравнений: Слой эюидкого металла: дрА dpxuxhx | dpxvxhx dt дх ду dpxuxhx ^dpxu2hx ^ dpiu]v^hl д dt дх ду дх дрх у, hx др,ц,уД dpxvxhx д

Н--:--г dt дх

W)*(Pig-A,)-Pi(t о) ду ду |2 fd*1 +Гум1 +FyZo +fXyhx dPlCvJA , dPl"lCv, ТА dPiVxcVi Txh dt дх by d dt

11,1 ГнЛ fH, J) +(V,,V) 1 = — ,V

Px) I л J IA ) FDTx+FHi-FZ9+f hx I

J, ca

V,--rof(-4 e\P\

Диффузионные члены определяются по формулам: г

Мт

F =JL\ ?El)+JL

D"1 дху т дх ) ду

F =А( lLA йх^ т дх J ду

Мт

DT> дх дТ, дх ay! д]\ ду хнх' ^уП," компоненты силы трения на границе раздела жидкого металла хн, ~ G я, и электролита:

Р\ +Р2 /77 м, -M2)V(Щ -и2У +(v, -v2)2

20 > Fyz„ ' компоненты силы трения на нижней границе жидкого металла:

Руг,

Fllt - теплообмен между металлом и электролитом на границе раздела: рн, =<хх(Т2 -Тх)

Так как удельная электрическая проводимость электролита много меньше проводимости алюминия, то Т2 > Г,.

F2q - теплообмен между металлом и дном ванны, температуру которой будем считать постоянной:

Fz0 -«offi-Ji)

J\ - ток в слое металла.

Слой электролита: dp2h2 [ dp2u2h2 | dp2v2h2 = dt дх ду dp2u2h2 | dp2u22h2 | dp2u2v2h2 8 1 a, & - * dp2u2y2h2 | dp2v2h2 д dt dx dy dy 12 1 h2-h2(t0))*(p2g-f22)-p2(t0) Foh + ^ ~ Fy,h - gp2h2 ^ + f2yh2 dp2cv T2h2 dp2u2cv T2h2 dp2v2cv T2h2 dt

8 dt рг J (V2,V) dx X ч Рг

Рг

S2p2

Диффузионные члены определяются формулами:

F = д ( дм, дл: ду ди2 Л ду г S Г ^ V дх J ду

3 f dv, Л г- Мт

М д ду к2Т + к2)- 2 ду

F jj ,F jj -компоненты силы трения на верхней границе электролита, при этом под

У» 2 анодами

Fxh2 =<н1Ргиг^иг рун2 = ~Си2 РгЪ а в остальной области эти силы равны нулю.

FH - характеризует теплообмен с воздухом в каналах: Рщ =сс2{Т2-Тв) .

Здж - джоулево тепло, J2 - ток в электролите. Заданы следующие граничные условия:

Для скоростей в слое жидкого металла: an 1 о г

Для магнитного поля в металле:

-н,| =0 dt 1|г

Для плотности электромагнитных сил в металле:

5* 0 г

Для скоростей в слое электролита: = 0

Sn ! Г

Для магнитного поля в электролите:

-н2| =0 dt 2lr

Для плотности электромагнитных сил в электролите: f2| =0 zlr

Силы на границе в электролите заданы равными нулю, потому что плотность тока на границе в электролите есть 0, так как гарнисаж не проводящий.

В качестве начальных данных используются результаты расчетов статики магнитного поля и скоростей в средних слоях обеих сред, проведенные на основе параметров конкретной электролизной ванны по методике [43].

В § 4.2 обсуждается численный метод решения поставленной задачи, основанный на методе расщепления по физическим процессам и разностном методе решения на отдельных этапах. Исследуется условие устойчивости разностных схем для решения уравнения адвекции. Приводятся результаты отладки и численного решения с параметрами, отвечающими натурному эксперименту, полученные при помощи программы , реализующей численный алгоритм решения.

В § 4.3 описываются возможности комплекса разработанных вычислительных программ, обсуждаются результаты тестовых расчётов одномерного плоского случая и двумерного случая. Приводятся результаты расчёта границы раздела сред для реальной ванны промышленного производства алюминия.

Автор выражает искреннюю признательность заведующему кафедрой вычислительных методов факультета ВМиК МГУ им. М В. Ломоносова академику РАН, профессору Александру Андреевичу Самарскому за внимание и интерес к моей деятельности в области вычислительной математики; автор горячо благодарит академика РАЕН, профессора физического факультета МГУ Рунара Николаевича Кузьмина за помощь в постановке задач и обсуждения результатов; автор приносит глубокую благодарность профессору факультета ВМиК МГУ Алексею Владимировичу Гулину за постоянное внимание к работе и ценные замечания; автор благодарит заместителя директора ИММ РАН профессора Владимира Фёдоровича Тишкина и к.ф.-м.н. , с.н.с. ИММ РАН Андрея Александровича Кулешова за полезные обсуждения результатов работы; автор благодарит заведующего лабораторией вычислительных методов в физике факультета ВМиК МГУ профессора Вячеслава Анатольевича Трофимова за совместную работу и постановку задач.

Основные выводы диссертации сводятся к следующему:

1. Предложен экономичный метод исследования динамики протекания нестационарных процессов, основанный на изучении спектра соответствующих линейных и нелинейных операторов, включающий в себя следующие возможности:

-определение границ спектра на комплексной плоскости для линейных операторов -локализация на плоскости спектра операторов с нелинейным вхождением собственного числа; оценка количества собственных чисел, заключённых в данной области на плоскости и поиск отдельных (или всех) собственных чисел и соответствующих им собственных функций

-нахождение собственных функций различных гармоник и соответствующих им собственных чисел для операторов с нелинейным вхождением собственной функции -исследование кусочно-непрерывного спектра оператора Шрёдингера, вычисление собственных функций, соответствующих собственным значениям различных разрешённых зон.

2. На основе разработанных экономичных численных методов создан комплекс программ, позволяющий численно моделировать динамические процессы и наглядно визуализировать сценарии их развития. Проведено сравнение результатов численного эксперимента с результатами физического эксперимента.

3. Построена математическая модель растекания тяжёлых жидкостей и газов по орографически неоднородной поверхности, позволяющая описать динамику изменения трёх компонент скорости распространения вещества по поверхности. Модель позволяет учесть трение вещества о поверхность, трение слоями вещества, влияние внешних факторов, таких как скорость ветра, просачивание вещества в почву, смешение облака с атмосферой. Проведённое математическое моделирование позволяет количественно исследовать многие процессы, протекающие в реальных условиях, и даёт возможность прогнозировать последствия промышленных аварий.

4. Построена математическая модель алюминиевого электролизёра, позволяющая рассчитывать поверхность раздела двух сред (металла и электролита), а также исследовать динамику изменения токов и скоростей веществ на поверхности раздела. Модель позволяет получать количественные характеристики протекания процесса в реальных условиях проведения эксперимента (для конкретных ванн) и выбирать оптимальные параметры управления процессом в целях оптимизации проведения электролиза алюминия.

Заключение.

1. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. О вычислении границ комплексного спектра. Вестник МГУ,сер. 15, 1990, №3, с.З0-34.

2. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. Неявные схемы в алгоритме определения границ компклексного спектра. Вестник МГУ,сер. 15, 1994, №2, с. 66-69.

3. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М., Наука, Физ.мат.лит., 1989.

4. ГордеевА.В., Гулин А.В., Савенкова Н.П. О неустойчивости бриллюэновского электронного течения. Физика плазмы, 1981, т.7, в.4,930-937 Исправление к статье: Физика плазмы, 1984, т. 10, в.б, с.1318.

5. Г.Штихтинг. Теория пограничного слоя. М., Наука, 1974.

6. М.А.Гольдштик, В.Н.Штерн. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность.Новосибирск, Наука, 1977.

7. К.И.Бабенко. Основы численного анализа.М.,Наука, 1986.

8. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П., Чернышев C.JL О численном решении уравнения Орра-Зоммерфельда.Прямые и обратные задачи математической физики,сб. ф-та ВмиК, МГУ, 1991, с.77-84.

9. J.M.Gersting,D.F.Jankowski. Numerical methods for Orr-Sommerfeld problem.Int.J.Numer. Meth.ing.,v.4, pp.195-206,1972.

10. E.B.Kurts, S.H.Crandal. Computer aided analysis of hydrodynamics stability. J. Math. Phys., v.47, pp.264-279,1962.

11. Басова C.B., Варенцова С.А., Гордеев A.B., Гулин А.В., Шуваев В.Ю. Универсальная электронная неустойчивость токовой плазмы низкой плотности. М.1990, Препринт ИПМ АН СССР,№132,1990.

12. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. О локализации спектра задач на собственные значенияс нелинейным вхождением спектрального параметра. ЖВМиМФ, 1990, т.30, №5, с.780-782.

13. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. Алгоритм отыскания действительного спектра нелинейной задачи на собственные значения. Деп.ВИНИТИ, №4172-В86, МГУ, 1986.

14. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. Алгоритм отыскания комплексного спектра нелинейной задачи на собственные значения. Деп.ВИНИТИ ,№5929-В87, МГУ,1987.

15. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. Об одном алгоритме отыскания границ спектра нелинейной задачи на собственные значения. Деп.ВИНИТИ, № 7228-В84, МГУ, 1984.

16. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. Об одном методе локализации комплексного спектра. Деп.ВИНИТИ , №1787-В 89, МГУ, 1989.

17. Захарчук В.Т., Савенкова Н.П. О численном решении одной дифференциальной задачи на собственные значения. Математическое моделирование физических процессов, Сб. МГУ, ВМиК, 1982, с.30-33.

18. N.K. Gain, К. Singhal, K.Huseyin. On roots of functional lambda-matrices. Computer Meth.Appl. Mechan. Engin.,1983, v.40, pp. 277-292.

19. Швилкин В.А.Уравнения упругих колебаний самолёта. Отчёт №461, АНТК им. А.Н. Туполева,1983.

20. Башкин В.Н., Серова Г.А., Папонова В.Г. Флатгерный комплекс ФК-3. Отчёт № 433, АНТК им. А.Н. Туполева, 1982.

21. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г. Крыло в нестационарном потоке газа, М.,Наука, 1971.

22. Поттер Д. Вычислительные методы в физике. М., Мир, 1975.

23. Высоцкий В.И., Кузьмин Р.Н. Магнитное каналирование электронов в немагнитных кристаллах. ЖЭТФ, 1982, т.82, №1,с. 177-181.

24. Маркушевич А.И. Краткий курс теории аналитических функций. М., Наука, 1978.

25. Ч.Китгель. Введение в физику твердого тела. М., Наука, 1978.

26. Самарский А.А. О влиянии закрепления на собственные частоты замкнутых объёмов. ДАН CCCP,t.LXIII,№6,1 948, стр.631-634.

27. Марчук Г.И., Шайдуров В.В. Повышение точности решений разностных схем. М., Наука,1979.

28. Trofimov V. A. New approach to numerical simulation of femtosecond pulse propagation in photonic crystal. Laser physicsand Spectroscopy. In proceedings of SPIE,2000,v.4002,pp.28-33.

29. Никитенко К.Ю., Трофимов B.A. Инварианты встречного взаимодействия фемтосекундных световых импульсов. Известия вузов, Радиофизика, 1999, t.XLII, №5, с.475-478.

30. Dobrocheev O.V., Kuleshov А.А., LelakinA.L., A two dimensional model of heavy gas cloud dispersion under industrial accidents. Preprint IAE-5339/1, Moscow, 1991.

31. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М., Наука, 1982.

32. Фабер Т.Е. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001, 560 стр.

33. Андерсон Д., Таннехил д.,Плетчер Т. Вычислительная гидромеханика и теплообмен., М., Мир, 1980,1-2.т.

34. В.Б.Зеленцов, Н.Ч.Рындина, В.Ф.Тишкин. Применение квазимонотонных схем повышенного порядка аппроксимации к нестандартной здаче о трещине продольного сдвига. Препринт ИММ РАН,М., 1993, № 20.

35. Г. Мелош "Образование ударных кратеров: геологический процесс", М.: Мир, 1994.

36. Желнорович В. А. Модели сред с внутренними моментами. Сборник "Проблемы гидродинамики и механики сплошной среды", Наука, М. 1968.

37. Логачев И. Н. Гидродинамические уравнения потока сыпучего материала в желобах. (Сборник трудов НИИ по вентиляции и очистке воздуха на горнорудных предприятиях «Вентиляция и очистка воздуха») №6,1970.

38. Сборник "Применение аналитических и численных методов в механике жидких и сыпучих сред". Ученые записки Горьковского университета, серия "Механика", выпуск 156, 1972.

39. Р. Н. Кузьмин, А. А. Кулешов, Н. П. Савенкова, С. В. Филиппова. Моделирование аварий на промышленном объекте с истечением тяжелых газов и жидкостей. Математическое моделирование, 1998, т. 10, № 8, с. 33-42.

40. Р.Н.Кузьмин, А.А.Кулешов, Н.П.Савенкова. Моделирование ударных лунных кратеров. Математическое моделирование, 2003,т.15, №2, с.83-88.

41. Федотьев Н.П., Алабышев А.Ф. и др. Прикладная электрохимия. Госхимиздат, 1962, с. 275-330.

42. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М., Наука, 1992.

43. Проворова О.Г., Пингин В.В., Овчинников В.В., Пискажева Т.В., Горин Д.А. Математические модели физических полей в электролизере Содерберга. Магнитная гидродинамика, 1998, т.34, с. 375-385.

44. Головизнин В.М., Самарский А.А. Некоторые свойства разностной схемы «Кабаре». Математическое моделирование, 1998, т. 10, № 1, с. 101-116.

45. Головизнин В.М., Самарский А.А. Разностная аппроксимация конвективного переноса с пространственным расщеплением временной переменной. Математическое моделирование, 1998, т. 10, № 1, с. 86-100.

46. JL Д. Ландау, Е. М. Лифшиц Теоретическая физика. Гидродинамика, т. 6, М., Наука, 1988.

47. Д. Джозеф. Устойчивость движений жидкости. М., Мир, 1981.

48. Гершуни Г. 3., Жуховицкий Е. М., Непомнящий А. А. Устойчивость конвективных течений, М., Наука, 1989.

49. Р. Бетчов, В. Криминале. Вопросы гидродинамической устойчивости. М., Мир, 1971.

50. Линь Цзя Цзяо. Теория гидродинамической устойчивости. М., Иностранная литература, 1958.

51. К. К. Gupta On a numerical solution of the supersonic panel flutter eigenproblem. Internat. J. Numer. Methods Engrg. ,V. 10,1976, pp. 637-645 .

52. G. Sander, C. Bon, M. Leradin. Finite element analysis of supersonic panel flutter. Internat, J. Numer. Methods Engrg. ,V. 7,1973, pp. 379-394.

53. А. А. Самарский Теория разностных схем., М., Наука, 1989.

54. Б. Л. Рождественский, Н.Н. Яненко. Системы квазилинейных уравнений. М., Наука, 1978.

55. Дж. X. Уилкинсон. Алгебраическая проблема собственных значений. М, Наука, 1970.

56. Д. К. Фаддеев, В.Н. Фаддеева. Вычислительные методы линейной алгебры. М.-Л., Физматгиз, 1963.

57. С. Писсанецки. Технология разреженных матриц. М., Мир, 1988.

58. M.R, Malik, S.D. Orszag Efficient computation of stability of three-diftiensional compressible boundary layers. AIAA-paper, № 1277, 1981.

59. Y. Saad. Chebyshev acceleration techniques for solving nonsymmetric eigenvalue problems. Math, of Comput. v.42,1984, p. 567-588.

60. Ho Diem, Chatelin Francoise, Bennani Maria Arnold-Chebyshev procedure for large scale nonsymmetric matrices. Math. Model and Numer. Anal. 1990 , v. 24, N 1, p. 53-65 .

61. А. А. Аббасов, С. А. Азизов. Об одном итерационном методе решения частичной проблемы собственных значений матриц, сб. «Математическая кибернетика и прикладная математика», Баку, 1981, №5, с. 80 -87.

62. L. Н. Thomas. The stability of plane Poiseuille flow. Phys.Rev. v. 91, N-4, p. 780-783, 1953.

63. Б. Д. Моисеенко, Б. Л. Рождественский Ортогональная прогонка и её применение к расчету гидродинамических течений с тангенциальными разрывами, Препринт ИПМ, №47,1970. Деп. ВИНИТИ,1971, N-2587-71.

64. В. Е Лутовинов. Численное решение задач гидродинамической устойчивости. Труды ЦАГИ, 1975, вып. 1654.

65. Л.М. Альварес, В.В. Диткин. 0 численном решении уравнения Орра-Зоммерфельда. ЖВМиМФ, 1990, т. 30, №4, с. 611-615.

66. В.Х. Резван. Абсолютная устойчивость автоматических систем с запаздыванием. М., Наука, 1983.

67. А.В. Гулин, 0. М. Дроздова, С. А. Яковлева. О численном решении одной нелинейной спектральной задачи. Препринт ИПМ АН СССР, 1985, № 117.

68. А. В. Гордеев, А. В. Гулин, Н.П. Савенкова, С. А. Яковлева. Об устойчивости бриллюэновского течения электронов. Препринт ИПМ АН СССР, 1975, № 95.

69. Уилкинсон, Райнш. Справочник алгоритмов на языке Алгол. Линейная алгебра. М., Машиностроение, 1976.

70. Б. Парлетт. Симметричная проблема собственных значений. М., Мир, 1983.

71. В.В. Воеводин. Вычислительные основы линейной алгебры. М., Наука, 1977.

72. L. М. Delves, J. N. Lyness. A numerical method for location the zeros of an analytic function. Math. Comput. 1967, v. 21, №100, p. 543-561.

73. С. В. Картышов. Об одном методе решения нелинейной спектральной задачи. Препринт ИПМ АН СССР, 1987, № 42.

74. В. Н. Кублановская. О применении метода Ньютона к определению собственных значений матриц. ДАН СССР, 1969, т. 188, № 5, с.555-570 .

75. P. Lancaster Lambda-matrices and vibrating systems. Pergamon press. Oxford, 1966.

76. A. Neumaier.Residual inverse iteration for the nonlinear eigenvalue problem. SIAM J. Numer. Anal., 1985, v. 22, N 5, p. 914-923.

77. Axel Ruhe. Algorithms for the nonlinear eigenvalue problem.SIAM. J. Numer. Anal., 1973, v. 10, №4, p. 674-690.

78. Гулин А.В., Дроздова O.M., Картышов C.B. Итерационный метод решения задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра. Препринт ИПМ АН СССР, 1986, №137.

79. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., Наука, 1975.

80. Уилкинсон Дж.Х. Алгебраическая проблема собственных значений. М., Наука, 1970.

81. Абрамов А.А., Юхно Л.Ф. Метод решения нелинейной самосопряженной спектральной задачи для ОДУ второго порядка со связанными граничными условиями. Дифференциальные уравнения, 1999, т.35, №2, с. 206-211.

82. Иванов В.А., Самерханов Р.З. К решению нелинейной проблемы собственных значений в задачах математической физики. ЖВМиМФ, 1991, т.31, №9, с. 1410-1414.

83. Картышов С.В. Численный метод решения задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра для разреженных матриц. ЖВМиМФ, 1989, т.29, №12, с. 1898-1903.

84. Картышов С.В., Юхно Л.Ф. О некоторых модификациях метода Ньютона для решения нелинейной спектральной задачи. ЖВМиМФ, 1993, т.ЗЗ, №9, с. 1403-1409.

85. Соловьев С.И. Метод конечных элементов для симметричных задач на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра. ЖВМиМФ, 1997, т.37, №11, с. 1311-1318.

86. Yongqing Li. On nonlinear eigenvalue problems and critical point theory for indefinite functionals. Matematiska institutionen Stockholms Universitetet. 1997.

87. Yongqing Li. Three solutions of a semilinear elliptic eigenvalue problem. Dept. of Math, Univ. of Stokholm. Preprint 1993.

88. Amann H. Fixed point equations and nonlinear eigenvalue problems in ordered Banach spaces. Siam Review, 1976, V.18, pp. 620-709.

89. Berger M.S. An eigenvalue problem for nonlinear elliptic partial differential equations. Transactions of the A.M.S., 1965, V.120,pp. 145-184.

90. Georg Kurt. On the convergence of an inverse iteration method for nonlinear elliptic eigenvalue problems. Numerische Mathematik, 1979, V.32, pp. 69-74.

91. Hagenow K.U.V., Lackner K. On the numerical solution of MHD equilibrium with axisymmetry. Proc. Third Intern. Symposium on Toroidal Plasma Confinement, Garching, 1973.

92. Lackner K. Computation of ideal MHD equilibria. Computer Physics Communications, 1976,12, pp. 33-44.

93. Meyer-Spasche R. Numerical treayment of Dirichlet problems with several solution. ISNM 31 Birkhauser Verlag, Basel and Stuttgart, 1976.

94. Necas I. Approximation methods for finding critical points of even functionals. Trudy Matem. Inst. A.N. SSSR, 1975, 134, pp. 235-239.

95. Rabinowitz P.H. Variational methods for nonlinear elliptic eigenvalue problems. Indiana Univ. Math. Journal, 1974,23, pp. 729-754.

96. Доброчеев O.B. "Рассеяние тяжелых газов в атмосфере. Физический механизм. Математические модели". Обзор ИАЭ, М.,1993.

97. Доброчеев О.В. "Моделирование рассеяния тяжелых газов в атмосфере". Сб. «Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях», М.,1990, в.З, с. 86-106.

98. Havens J.A. Mathematical modeling of heavy gas dispersion. An overview. 5th Int. Simp. Loss prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Cannes, France, 1986, p. 322 -32-26.

99. Riou Y. Methods for distributing heavy gas dispersion in the environment of industrial sites. 5th Int. Simp. Loss prevention and Safety Promotion in the Process Industries. Cannes, France, 1986, p. 30-1-30-10.

100. Андроианкин Э.И., Андрущенко В.А., Горбунов А.А. Применение высокопроизводительных вычислительных систем для решения пространственных задач теории конвекции. Математическое моделирование, 1994, №11, с. 76-86.

101. Зателепин В.П., Кондратов Д. А. Явно-неявная схема для уравнений Навье -Стокса. Теплофизика высоких температур, 1992, № 4, с. 752-766.

102. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М., Наука, 1984.

103. Роди В. Модели турбулентности окружающей среды. М., Мир, 1984.

104. Даграмеджи М.Ф., Рудаков В.Н. Экспериментальные и аналитические исследования влияния магнитных полей на состояние поверхности расплавленного металла в электролизёрах для получения алюминия. М., ЦНИИЭНЦМ, 1959, 54 с.

105. Н.С. Сираев, Н.А. Калужский, A.M. Цыплаков, О.А. Захаров. Циркуляция электролита и металла в алюминиевых электролизерах различной мощности и конструкции. Цветные металлы, 1983, №9, с.36-40.

106. Меерович Э.А. Магнитное поле и электродинамические силы в зоне расплава мощных электролизёров алюминия. М.: Изд. АН СССР, 1962,123 стр.

107. Ovchinnikov V.V., Busunov V.Y., Lobanov М.А. et.al. MHD-phenomena and velocities in Soderberg cells in USSR// Light Metals, 1992, p. 1205-1211.

108. Evans J.W., Zindelevich V., Sharma D. A mathematical model for prediction of currents, magnetical fields, melt velocities, Hall-Heroult cells. Metallurgical Transactions, 1981, vol. 12 B, p.353-360.

109. Lympany S.D., Evans J.W. The Hall-Heroult cell: some design alternatives examined by a mathematical model// Metallurgical Transactions, 1983, vol. 14 B, p. 63-70.

110. Moreau R., Ewans J.W. An analysis of hydrodynamics of aluminum reduction cells. Electrochem Soc., 1984, v. 131, №10, p. 2251-2259.

111. Бояревич B.B. Математическая модель МГД-процессов в алюминиевом электролизере. Магнитная гидродинамика, 1987, № 1, с. 107-115.

112. Бояревич В.В., Калис Х.Э., Миллере Р.П., Погодкина И.Э. Модель для расчета параметров алюминиевого электролизера. Цветные металлы, 1988, № 7, с. 63-66.

113. Овчинников В.В., Проворова О.Г., Пингин В.В., Пискажева Т.В. Математические модели и МГД-явления в электролизере Содерберга. Цветные металлы, 1997, №1, с.61-63.

114. Eydeland A., Spruck J., Turkington В. Multiconstrained variational problems of nonlinear eigenvalue type : new formulations and algorithms . Informatics of computation, 1990, V.55, № 192, pp. 509-535.

115. H П Савенкова .Численное решение несамосопряженной задачи на собственные значения. Вестник МГУ, 1978, сер. 15, №2, с.85-89.

116. Н П. Савенкова .Об одной нелинейной задаче на собственные значения, Дифференциальные уравнения, 1980, т. 16, №4, с. 741-745.

117. Н.П. Савенкова, О численном решении одной дробно-линейной задачи на собственные значения . Сборник докладов Всесоюзной школы молодых ученых, М.,1981,с. 151-153.

118. В.Т.Захарчук, Н П.Савенкова. О численном решении одной дифференциальной задачи на собственные значения. Сборник "Математическое моделирование физических процессов", ВМиК МГУ,1982, с.30-33.

119. А.В.Гулин, А.В.Крежде, Н.П.Савенкова. О разностных методах решения некоторых спектральных задач.Дифференциальные уравнения, 1983, т.19, №7, с. 1207-1215.

120. В.И.Высоцкий, Р .Н.Кузьмин, Н.П.Савенкова.Численный анализ ориентационного движения нейтральных частиц в кристаллах. Деп. ВИНИТИ, М., 1987, №7401-В87.

121. В И Высоцкий, Р.Н.Кузьмин, Н.П.Савенкова. Численный анализ ориентационного движения нейтральных частиц в кристаллах. Ж В Ми МФ, 1988, т.28, №6, с.954-956.

122. В.Т. Захарчук, Н.П.Савенкова, С.Л.Чернышев. Об одном подходе к решению уравнения Орра-Зомерфельда. Деп. ВИНИТИ, М., 1989, №5941- В89,9с.

123. С.Л.Чернышев, В.Т.Захарчук, Н.П.Савенкова. К решению спектральной задачи в теории гидродинамической устойчивости. Сб. "Исследование некоторых задач гидродинамики полета самолета",М., 1989, изд, Физ.-Тех., с. 4-10.

124. В.И. Высоцкий, Р.Н.Кузьмин, Н.П. Савенкова. Пространственная динамика эффекта ТД- реакции в кристаллах. Тезисы доклада на 20-ом Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, МГУ, 1990,с. 27.

125. Н.П.Савенкова. Алгоритмы определения границ спектра линейной и нелинейной задач на собственные значения. Тезисы докладов учредительной конференции Российской ассоциации "Женщины-Математики", Суздаль, 1993, с.46.

126. Н.П.Савенкова.0 численном нахождении границ спектра задачи на собственные значения с нелинейным вхождением спектрального параметра. Тезисы Межд.конференции "Женщины-Математики", Москва, 1994, с.54.

127. С.А.Варенцова, Н.П.Савенкова. Об одной методике численного исследования условий ветвления решений двумерного уравнения Фаулера-Гугенгейма. Тезисы 3-й Межд. конференции "Женщины-Математики", Воронеж, 1995, с. 123.

128. Н.П.Савенкова. Численное определение коэффициента усиления реакции в задаче холодного синтеза. Тезисы 3-й Межд. конференции "Женщины-Математики", Воронеж, 1995, с. 139.

129. Н.П.Савенкова. Численное определение коэффициента усиления реакции в задаче холодного синтеза. Труды 3-й Межд. конференции "Женщины-Математики", Воронеж, 1995, в.1, с.141 -145.

130. Г.Ф.Акбашева, Р.Н.Кузьмин, Н.П.Савенкова, С.В.Филиппова. Численное моделирование движения упругой деформированной среды при больших значениях чисел Маха. Тезисы 3-й Межд. конференции "Математика. Компьютер. Образование" Дубна, 1996, с. 7.

131. О.В.Доброчеев, А. А.Кулешов, Н.П. Савенкова, С.В.Филиппова. Численный расчет растекания тяжелой жидкости в условиях орографически неоднородной поверхности. Мат. моделирование, 1996, т.8, №5, с. 92-105.

132. Г.Ф.Акбашева, Р.Н.Кузьмин, Н.П.Савенкова, С.В.Филиппова. Численное моделирование упругой деформированной среды при больших значениях чисел Маха. Труды 3-й Межд. конференции" Математика. Компьютер. Образование", Дубна, 1996, с.199-205.

133. Г.Ф.Акбашева, Н.П.Савенкова,С.В.Филиппова. Математическое моделирование образования каверны в вязких средах. Тезисы 4-й Межд. Конференции «Женщины-Математики», Волгоград, 1996, с. 17.

134. Варенцова С.А., Савенкова Н.П. Об одной методике численного исследования условий ветвления решений двумерного уравнения Фаулера — Гугенгейма. Труды 3-й Межд. конференции «Женщины- Математики», Воронеж, 1996, в. 2, с.225-231.

135. Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Численное моделирование растекания тяжелых жидкостей по орографически неоднородной подстилающей поверхности. Труды 3-й Межд. конференции «Женщины-Математики», Воронеж, 1996, в. 2, с.255-264.

136. Акбашева Г.Ф., Кузьмин Р.Н., Савенкова Н.П. Математическое моделирование утопленных струй тяжелых газов и жидкостей в средах. Тезисы 4-й Межд. . конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1997, с.7.

137. Дорохова Т.В., Савенкова Н.П. Численный алгоритм нахождения нуля в спектре матрицы, зависящей от параметров. Тезисы 4-й Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1997, с.56.

138. Дорохова Т.В., Савенкова Н.П. Численный алгоритм нахождения нуля в спектре матрицы, зависящей от параметров. Труды 4-й Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1997, с.97-100.

139. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Численное моделирование растекания фреона по неровной подстилающей поверхности.

140. Тезисы 4-й Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование»,1. Пущино, 1997, с.91.

141. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Численное моделирование растекания фреона по неровной подстилающей поверхности.

142. Труды 4-й Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1997, с.154-159.

143. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математическая модель растекания тяжёлых жидкостей и газов по неоднородной поверхности . Труды 5-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 1998, ч.2, с 163-168.

144. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П.,Филиппова С.В. Моделирование аварий на промышленном объекте с истечением тяжёлых газов и жидкостей. Математическое моделирование, 1998, т.10, № 8 , с. 33-42.

145. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Информационное поле уравнений Навье-Стокса. Физическое образование в Вузах, 1998, т.4, №3, с. 145147.

146. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математическая модель растекания тяжёлых жидкостей и газов по неоднородной поверхности . Тезисы 5-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 1998,с. 107.

147. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Информационное поле уравнений Навье-Стокса. Тезисы 2-ой Межд. конференции «Universities Pfysics Education» , Москва, 1998, с. 43.

148. Кузьмин Р.Н.,Кулешов А.А.,Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математические модели супернакопительных природных процессов. Тезисы 6-ой Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование», Пущино, 1999, с. 106.

149. Кузьмин Р.Н.,Кулешов А.А.,Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математические модели супернакопительных природных процессов. Труды 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино,1999, ч.2, с.308-314.

150. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов В.А. О численном решении одной нелинейной спектральной задачи. Тезисы 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1999, с. 108.

151. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов В.А. О численном решении одной нелинейной спектральной задачи. Труды 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1999, ч.2, с. 278-282.

152. Кузьмин Р.Н.,Кулешов А.А.,Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математичкские модели динамических прогибов поверхности Земли. Тезисы 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1999, с. 109.

153. Кузьмин Р.Н.,Кулешов А.А.,Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математичкские модели динамических прогибов поверхности Земли. Труды 6-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 1999, ч.2, с.315-319

154. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов В.А. Алгоритм получения нелинейного дифференциального уравнения с линейным вхождением собственного числа. Вестник МГУ,с.15,1999, №3, с.9-12.

155. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Уравнения Навье-Стокса для информационных полей в динамическом режиме, Тезисы 6-ой Межд. конференции " Математика. Компьютер. Образование", Пущино ,1999, с. 158.

156. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов В.А. Численное исследование решения одной нелинейной задачи. Вестник МГУ, сер. №15, 1999, №3, с.9-11.

157. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математические модели супернакопительных природных процессов. Тезисы 6-ой Межд. конференции " Математика. Компьютер.Образование", Пущино, 1999, с. 156.

158. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. Математические модели супернакопительных природных процессов. Труды 6-ой Межд. конференции " Математика. Компьютер. Образование", Пущино,1999, ч.2, 308-314.

159. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. "Математические модели динамических прогибов поверхности Земли", Тезисы 6-ой Межд. конференции " Математика .Компьютер. Образование", Пущино, 1999, с. 157.

160. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Филиппова С.В. "Математические модели динамических прогибов поверхности Земли", Труды 6-ой Межд. конференции " Математика .Компьютер. Образование", Пущино, 1999, с.315-319.

161. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов В.А. О численном решении одной нелинейной задачи. Тезисы 6-ой Межд. конференции " Математика. Компьютер . Образование",Пущино,1999, с. 203.

162. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П., Трофимов В.А. О численном решении одной нелинейной задачи. Труды 6-ой Межд. конференции " Математика.Компьютер . Образование",Пущино, 1999, ч.2, с. 278-282.

163. Р.Н.Кузьмин, А.А. Кулешов, Н.П. Савенкова, С.В.Филиппова Давление межконтинентальных плит и газовое дыхание Земли.Материалы 6-ой Российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс- Сочи , 1999, с.161-163.

164. Р.Н.Кузьмин, А.А. Кулешов, Н.П.Савенкова, С.В.Филиппова. Математическое моделирование процесса насыщения водородом трёхмерной решетки металла. Материалы 6-ой Рос. Конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс-Сочи, 1999, с.164-168.

165. Дорохова Т.В, Савенкова Н.П. Трофимов В.А. Численное моделирование солитонов сложной временной формы импульсов фемтосекундной длительности. Тезисы 7-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2000, с. 108.

166. Дорохова Т.В, Савенкова Н.П. Трофимов В.А. Численное моделирование солитонов сложной временной формы импульсов фемтосекундной длительности. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2000, ч.2, с. 393-402.

167. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Беспалов М.С., Клочкова J1.B., Савенкова Н.П.,Сузан В.В.Тишкин В.Ф., Филиппова С.В. Двумерная математическая модель лесных пожаров. Тезисы 7-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2000, с. 188.

168. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Проворова О.Г., Тишкин В.Ф., Филиппова С.В. Двухслойная математическая модель алюминиевого электролизёра. Тезисы 7-ой Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование», Дубна, 2000, с. 189.

169. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., Савенкова Н.П., Проворова О.Г., Тишкин В.Ф., Филиппова С.В. Двухслойная математическая модель алюминиевого электролизёра. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика.Компьютер.Образование», Дубна, 2000, с.135-140.

170. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А., СавенковаН.П., ЗыряновЮ.А. Математическое моделирование ударных лунных кратеров. Тезисы 7-ой Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2000, с. 191.

171. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А.,СавенковаН.П., ЗыряновЮ.А. Математическое моделирование ударных лунных кратеров. Труды 7-ой Межд. конференции «Математика .Компьютер. Образование», Дубна, 2000, с. 170-174.

172. Кузьмин Р.Н., Кулешов А.А.,Проворова О.Г.,Поляков П.В., Пингин

173. П.В.,СавенковаН.П, Моделирование нестационарных явлений в алюминиевом электролизёре. Тезисы 4-ого Сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике.(ИНПРИМ 2000, посвященный памяти М.А. Лаврентьева), Новосибирск, 2000,ч.З, с. 120-121.

174. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П. Собственные векторы и собственные числа нелинейной задачи. Тезисы 8-ой Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование", Пущино, 2001, с. 181.

175. Николаичев А.Н., Савенкова Н.П. Собственные векторы и собственные числа нелинейной задачи. Труды 8-ой Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование". Пущино, 2001, с.399-405.

176. Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г.,Савенкова Н.П. Математическое моделирование физических полей в алюминиевом электролизере. Тезисы 9-й Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2002, с. 166.

177. Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г.,Савенкова Н.П.Математическое моделирование физических полей в алюминиевом электролизере. Труды 9-й Межд. конференции «Математика. Компьютер. Образование»,Дубна, 2002, ч.2, с.443-453.

178. Алаторцев А.В., Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г., Савенкова Н.П. Численное моделирование магнитно-гидродинамических процессов в алюминиевом электролизере. Тезисы 10-й Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование", Пущино, 2003, с.81.

179. Алаторцев А.В., Кузьмин Р.Н., Проворова О.Г., Савенкова Н.П. Математическое моделирование магнитно — гидродинамических процессов в алюминиевом электролизере. Сб. "Прикладная математика и информатика", М.,МАКС Пресс, 2003, №15, с. 46-61.