All issues

В работе исследуется процесс самосогласованной релаксации области возмущений, созданных в разреженной бинарной низкотемпературной плазме неподвижным заряженным шаром или цилиндром с абсорбирующей поверхностью. Особенностью подобных задач является их самосогласованный кинетический характер, при котором нельзя отделить процессы переноса в фазовом пространстве и формирования электромагнитного поля. Представлена математическая модель, позволяющая описывать и анализировать состояние газа, электрическое и тепловое поле в окрестности тела. Многомерность кинетической формулировки создает определенные проблемы при численном решении, поэтому для задачи подобрана криволинейная система неголономных координат, которая минимизирует ее фазовое пространство, что способствует повышению эффективности численных методов. Для таких координат обоснована и проанализирована форма кинетического уравнения Власова. Для его решения использован вариант метода крупных частиц с постоянным форм-фактором. В расчетах применялась подвижная сетка, отслеживающая смещение в фазовом пространстве носителя функции распределения, что дополнительно уменьшило объем контролируемой области фазового пространства. Раскрыты ключевые детали модели и численного метода. Модель и метод реализованы в виде кода на языке Matlab. На примере решения задачи для шара показано наличие в возмущенной зоне существенного неравновесия и анизотропии в распределении частиц по скорости. По результатам расчетов представлены картины эволюции структуры функции распределения частиц, профилей основных макроскопических характеристик газа — концентрации, тока, температуры и теплового потока, характеристик электрического поля в возмущенной области. Установлен механизм разогрева притягивающихся частиц в возмущенной зоне и показаны некоторые важные особенности процесса формирования теплового потока. Получены результаты, хорошо объяснимые с физической точки зрения, что подтверждает адекватность модели и корректность работы программного инструмента. Отмечаются создание и апробация основы для разработки в перспективе инструментов решения и более сложных задач моделирования поведения ионизированных газов вблизи заряженных тел.

Работа будет полезной специалистам в области математического моделирования, процессов тепло- и массообмена, физики низкотемпературной плазмы, аспирантам и студентам старших курсов, специализирующимся в указанных направлениях.

The work investigates the process of self-consistent relaxation of the region of disturbances created in a rarefied binary low-temperature plasma by a stationary charged ball or cylinder with an absorbing surface. A feature of such problems is their self-consistent kinetic nature, in which it is impossible to separate the processes of transfer in phase space and the formation of an electromagnetic field. A mathematical model is presented that makes it possible to describe and analyze the state of the gas, electric and thermal fields in the vicinity of the body. The multidimensionality of the kinetic formulation creates certain problems in the numerical solution, therefore a curvilinear system of nonholonomic coordinates was selected for the problem, which minimizes its phase space, which contributes to increasing the efficiency of numerical methods. For such coordinates, the form of the Vlasov kinetic equation has been justified and analyzed. To solve it, a variant of the large particle method with a constant form factor was used. The calculations used a moving grid that tracks the displacement of the distribution function carrier in the phase space, which further reduced the volume of the controlled region of the phase space. Key details of the model and numerical method are revealed. The model and the method are implemented as code in the Matlab language. Using the example of solving a problem for a ball, the presence of significant disequilibrium and anisotropy in the particle velocity distribution in the disturbed zone is shown. Based on the calculation results, pictures of the evolution of the structure of the particle distribution function, profiles of the main macroscopic characteristics of the gas — concentration, current, temperature and heat flow, and characteristics of the electric field in the disturbed region are presented. The mechanism of heating of attracted particles in the disturbed zone is established and some important features of the process of formation of heat flow are shown. The results obtained are well explainable from a physical point of view, which confirms the adequacy of the model and the correct operation of the software tool. The creation and testing of a basis for the development in the future of tools for solving more complex problems of modeling the behavior of ionized gases near charged bodies is noted.

The work will be useful to specialists in the field of mathematical modeling, heat and mass transfer processes, lowtemperature plasma physics, postgraduate students and senior students specializing in the indicated areas.

В статье исследуется возможность обнаружения следов опасных веществ (взрывчатых и наркотических) на основе детекции их паров в воздухе. Актуальность работы обусловлена задачами противодействия террористическим угрозам и наркотрафику, где критически важно определять даже следовые количества веществ. Основное внимание уделено математическому моделированию испарения тонкого слоя вещества с поверхности, основанному на молекулярно-кинетической теории. Предложена универсальная модель, учитывающая физико-химические свойства веществ, температуру окружающей среды, адгезию к поверхности и начальную массу слоя. На основе уравнений Герца – Кнудсена – Ленгмюра и Клаузиуса – Клапейрона получены аналитические выражения для времени полного испарения, предельной массы паров и динамики процесса. Выявлен безразмерный параметр $\gamma$, определяющий предельные условия испарения. Показано, что адгезия вещества (коэффициент $\alpha$) влияет на скорость испарения, но не на конечную массу паров. Проведены расчеты для шести модельных веществ (TNT, RDX, PETN, амфетамин, кокаин, героин) с широким диапазоном свойств. Установлено, что при комнатной температуре и поверхностной концентрации 100 нг/см2 большинство веществ испаряются полностью, за исключением RDX, который остается на поверхности на 84%. Время испарения варьируется от долей секунды (амфетамин) до нескольких часов (героин). Для веществ с низкой летучестью определена максимальная масса, способная испариться при заданных условиях. Новизна работы заключается в разработке универсальной модели, применимой для широкого класса опасных веществ, и в выявлении ключевых параметров, определяющих процесс испарения. Полученные результаты позволяют оценить пределы обнаружения следов веществ методами, основанными на регистрации паров, и могут быть использованы при проектировании систем безопасности.

The article investigates the possibility of detecting traces of hazardous substances (explosives and narcotics) based on the detection of their vapors in the air. The relevance of the study stems from the need to counter terrorist threats and drug trafficking, where identifying even trace amounts of substances is critical. The focus is on mathematical modeling of the evaporation of a thin substance layer from a surface, based on molecular kinetic theory. A universal model is proposed, accounting for the physicochemical properties of substances, ambient temperature, adhesion to the surface, and the initial mass of the layer. Using the Hertz – Knudsen – Langmuir and Clausius – Clapeyron equations, analytical expressions are derived for the complete evaporation time, maximum vapor mass, and process dynamics. A dimensionless parameter, $\gamma$, is identified, determining the limiting conditions for evaporation. It is shown that substance adhesion (coefficient $\alpha$) affects the evaporation rate but not the final vapor mass. Calculations were performed for six model substances (TNT, RDX, PETN, amphetamine, cocaine, heroin) with a wide range of properties. At room temperature and a surface concentration of 100 ng/cm2, most substances evaporate completely, except for RDX, which remains on the surface at 84%. Evaporation times range from fractions of a second (amphetamine) to several hours (heroin). For low-volatility substances, the maximum mass capable of evaporating under given conditions is determined. The novelty of the work lies in the development of a universal model applicable to a broad class of hazardous substances and in identifying key parameters governing the evaporation process. The results enable the estimation of detection limits for trace substances using vapor-based methods and can be applied in the design of security systems.

Групповое движение малоразмерных подводных аппаратов — важная прикладная задача. В работе приводятся результаты исследования влияния формации группы на характер ее движения. Оценка лобового сопротивления подводных аппаратов и обтекания потоков вокруг них — традиционная и хорошо известная область исследований. Однако выводы, сделанные для единичного робота, не всегда применимы к группе однотипных устройств из-за появляющихся при совместном движении физических эффектов, например волновой тени. Исходя из этого были исследованы гидродинамические характеристики определенных формаций роботов, движущихся как единое целое. В ходе работы изучались гидродинамические параметры систем с двумя основными типами движителей: локомоторными (аналогами рыбьих хвостов) и гребными винтами. Из соображений природоподобия рассматривались формации, аналогичные по структуре рыбьим косякам, затем оценивалась их применимость для роботов разных видов. Была определена связь между скоростью движения группировки и лобовым сопротивлением каждого из ее участников. Математическое моделирование обтекания группировки роботов проводилось при помощи метода конечных объемов двумя программными комплексами (FlowVision и OpenFoam). Показано, что роботы с винтовым движителем при размещении в тесных формациях мешают друг другу, а для локомоторного случая нахождение в зоне возмущения, наоборот, предпочтительно. Также при плохо обтекаемых корпусах отрывающиеся от поверхности потоки могут превращаться в узкие струи, сильно мешающие задним роботам. Установлено, что эффект водяной тени снижает затраты энергии только при малых скоростях движения — около 5 см/с; при больших скоростях движение в колоннах затрудняется для задних роботов. Кроме того, для рыбоподобного движителя не было выявлено большой разницы в лобовом сопротивлении между одиночным роботом и группой. Таким образом, программное моделирование позволило выработать и обосновать рекомендации по оптимизации построений роботов при групповом движении. Полученные результаты могут оказаться полезными для разработки подводных аппаратов, способных работать в группах, и средств управления ими.

The objective of this study is to determine the best formations for the joint movement of a group of small robots in an aquatic environment. Estimation of drag of the flow is a traditional and well-known area of research, but it is not always valid to extend the conclusions made for a single robot to a group of similar devices due to the physical effects that appear during joint movement, such as a wave shadow. For these reasons, it is necessary to study the hydrodynamic characteristics of certain robot formations as a stable structure. The hydrodynamic parameters of systems with two main types of propulsion were studied: locomotive (fishtails) and propellers. Formations similar in structure to schools of fish were mainly considered, and then their applicability for robots of different types was assessed. The relationship between the speed of movement of the group and the drag of each of its participants was also studied. Mathematical modeling of the flow around a group of robots was performed using the finite volume method using two software packages (FlowVision and OpenFoam). Robots with a screw propeller interfere with each other when packed into tight formations, and for the locomotive case, being in the disturbance zone, on the contrary, is preferable. Also, with poorly streamlined bodies, flows separating from the surface can turn into narrow turbulent jets that greatly interfere with the rear robots. It has been established that wake effect reduces energy costs only at low speeds of movement — about 5 cm/s; at high speeds, movement in columns becomes difficult for the rear robots. No large difference in frontal resistance was found between a single robot and a group for a fish-like tail. The studies made it possible to develop and substantiate recommendations for optimizing robot designs for group movement.

В настоящее время интенсивное развитие получило направление в рамках теории распределенных вычислений, когда вычислительные задачи решаются распределенно коллективом ресурсно ограниченных устройств. На практике такой сценарий реализуется при обработке данных в системах интернета вещей, когда с целью снижения латентности систем и загруженности сетевой инфраструктуры данные обрабатываются на вычислительных устройствах края сети, в то время как стремительный рост и распространение систем интернета вещей ставят вопрос о необходимости разработки методов снижения ресурсоемкости производимых вычислений. Ресурсная ограниченность вычислительных устройств ставит следующие вопросы распределения вычислительных ресурсов: во-первых, необходимость учета ресурсной стоимости транзита данных между решаемыми на различных устройствах задачах, во-вторых, необходимость учета ресурсной стоимости непосредственно процесса распределения вычислительных ресурсов, что особенно актуально для групп автономных устройств (роботы различных типов, сенсорные сети и др.). Анализ современных публикаций, представленных в открытом доступе, продемонстрировал отсутствие предложенных моделей или методов распределения вычислительных ресурсов, которые бы совместно учитывали перечисленное, что делает создание новой математической модели организации распределенных вычислений в системах интернета вещей и методов ее решения актуальными.

В данной статье предложены новая математическая модель распределения вычислительных ресурсов и эвристические методы решения получаемой задачи оптимизации, что в комплексе реализует организацию распределенных вычислений в системах интернета вещей. Рассматривается сценарий, когда в группе устройств имеется лидер, который принимает решение о распределении вычислительных ресурсов, в том числе и собственных, для распределенного решения вычислительных задач с наличием информационных обменов. Также предполагается, что отсутствует априорная информация о том, какому устройству назначена роль лидера, и о маршрутах миграции вычислительных задач на устройства.

Результаты экспериментального исследования продемонстрировали целесообразность использования предложенных моделей и эвристических методов: достигается распределение вычислительных ресурсов со снижением ресурсной стоимости решения вычислительной задачи до 52 % при учете ресурсной стоимости транзита данных, экономия ресурсов до 73 % при дополнении основных критериев оптимизации распределения задач критерием минимизации количества и расстояний миграций подзадач вычислительной задачи (ВЗ), а также снижение ресурсной стоимости решения задачи распределения вычислительных ресурсов до 28 раз со снижением качества полученного распределения до 10 %.

Currently, a significant development has been observed in the direction of distributed computing theory, where computational tasks are solved collectively by resource-constrained devices. In practice, this scenario is implemented when processing data in Internet of Things systems, with the aim of reducing system latency and network infrastructure load, as data is processed on edge network computing devices. However, the rapid growth and widespread adoption of IoT systems raise questions about the need to develop methods for reducing the resource intensity of computations. The resource constraints of computing devices pose the following issues regarding the distribution of computational resources: firstly, the necessity to account for the transit cost between different devices solving various tasks; secondly, the necessity to consider the resource cost associated directly with the process of distributing computational resources, which is particularly relevant for groups of autonomous devices such as drones or robots. An analysis of modern publications available in open access demonstrated the absence of proposed models or methods for distributing computational resources that would simultaneously take into account all these factors, making the creation of a new mathematical model for organizing distributed computing in IoT systems and its solution methods topical. This article proposes a novel mathematical model for distributing computational resources along with heuristic optimization methods, providing an integrated approach to implementing distributed computing in IoT systems. A scenario is considered where there exists a leader device within a group that makes decisions concerning the allocation of computational resources, including its own, for distributed task resolution involving information exchanges. It is also assumed that no prior knowledge exists regarding which device will assume the role of leader or the migration paths of computational tasks across devices. Experimental results have shown the effectiveness of using the proposed models and heuristics: achieving up to a 52% reduction in resource costs for solving computational problems while accounting for data transit costs, saving up to 73% of resources through supplementary criteria optimizing task distribution based on minimizing fragment migrations and distances, and decreasing the resource cost of resolving the computational resource distribution problem by up to 28 times with reductions in distribution quality up to 10%.

В статье предлагается архитектурное решение организации сверточной нейронной сети (СНС), ориентированное на аппаратную реализацию на конечных устройствах (edge-устройствах) в условиях ограниченных ресурсов. С этой целью предложен подход к сжатию спектрограмм до заданного размера (28×28) с использованием дискретизации, моноконверсии, оконного преобразования Фурье и двумерной интерполяции. Разработана сбалансированная процедура свертки на базе компактных сверточных фильтров, размер которых обеспечивает необходимый для edge-устройств баланс между вычислительной сложностью и точностью. Предложен алгоритм, позволяющий выполнять операции свертки и вычисления градиента функции ошибки на сверточном слое за один такт, обеспечивая повышение производительности режимов инференса и обучения СНС. Проведена оптимизация соотношения между обучаемостью сети и ее устойчивостью к переобучению за счет применения метода регуляризации Dropout с коэффициентом отбрасывания 0,5 для полносвязного слоя.

Работоспособность предложенного решения продемонстрирована на примере задачи распознавания аудиоспектрограмм звуков двигателей автомобилей и самолетов. СНС обучалась на сбалансированном наборе данных, состоящем из 7160 аудиозаписей. Обученная сеть демонстрировала высокую точность распознавания (95%), низкие значения функции потерь (<0,2), сбалансированные метрики «точность/полнота/F-мера», что свидетельствует об эффективности разработанной модели СНС.

This paper proposes an architectural solution for organizing a convolutional neural network (CNN) oriented towards hardware implementation on edge devices under limited resources. To this goal, an approach to compressing spectrograms to a given size (28 × 28) is proposed using discretization, monoconversion, windowed Fourier transform, and two-dimensional interpolation. A balanced convolution procedure is developed based on compact convolutional filters, the size of which provides the balance between computational complexity and accuracy required for edge devices. An algorithm that enables convolution operations and calculation of the error function gradient in the convolutional layer in a single cycle ensuring increased performance in both inference and training modes of the CNN is proposed. The tradeoff between network trainability and its resistance to overfitting is optimized by applying the Dropout regularization method with a dropout coefficient of 0.5 for the fully connected layer.

The effectiveness of the proposed solution was demonstrated using the example of recognizing audio spectrograms of car and airplane engine sounds. The CNN was trained on a balanced dataset consisting of 7160 audio recordings. The trained network demonstrated high recognition accuracy (95%), low loss values (< 0.2), and balanced precision/recall/F-metric, demonstrating the effectiveness of the developed CNN model.

В результате численного моделирования впервые определен механизм инициированного кавитацией подъема уровня жидкости в трубках и капиллярах, известного как лазерно-индуцированный светокапиллярный эффект, а также его аналоги — звукокапиллярный и плазмокапиллярный эффекты. Показано, что ключевым условием возникновения подъема жидкости является асимметричное схлопывание относительно крупного одиночного кавитационного пузырька внутри вертикально ориентированной трубки или капилляра. Близость границ (стенки трубки, торца оптоволокона и другие) нарушает сферическую симметрию пузырька при его коллапсе, что приводит к появлению потока жидкости, который замыкается в долгоживущее тороидальное вихревое кольцо (тороидальный вихрь). Вихрь за счет вязкого увлечения окружающей среды генерирует направленное течение жидкости вверх, а также обеспечивает всасывание новой порции жидкости через открытый нижний конец трубки. Результаты моделирования показывают, что характерное время жизни тороидального вихря значительно превышает время стадий роста и схлопывания кавитационного пузырька, который его породил. Показано, что подъем уровня жидкости в трубке начинается не в момент расширения пузырька, а после его полного исчезновения и за счет инерции вихревого движения продолжается на протяжении относительно длительного промежутка времени. Этот результат полностью согласуется с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность предложенного механизма. В работе исследована практически значимая конфигурация лазерно-индуцированного светокапиллярного эффекта с использованием оптоволокна. Такая конфигурация открывает широкие перспективы для технических и медицинских приложений, в частности в лазерной хирургии. Исследованный механизм может быть использован для создания кавитационных насосов — эффективных инструментов очистки технических поверхностей и поверхностей ран, где процесс удаления поврежденных тканей и инородных тел в результате температурного воздействия будет сопровождаться удалением продуктов очистки через трубку, что существенно повышает эффективность и безопасность процедуры. Полученные результаты представляют собой первое непротиворечивое объяснение класса кавитационно-индуцированных капиллярных явлений и создают основу для их контролируемого применения в биомедицинских и микрофлюидных технологиях.

For the first time, numerical modeling has determined the mechanism of the initiated-by-cavitation rise of the liquid level in tubes and capillaries, known as the laser-induced optocapillary effect, as well as its analogues — the acoustocapillary and plasmocapillary effects. It is shown that the key condition for the occurrence of the liquid rise is the asymmetric collapse of a single relatively large cavitation bubble inside a vertically oriented tube or capillary. The proximity of boundaries (the tube wall, the fiber optic tip, and others) disrupts the spherical symmetry of the bubble during its collapse, leading to the appearance of a liquid flow that rolls up into a long-lived toroidal vortex ring. Due to viscous entrainment of the surrounding medium, the vortex generates a directed liquid flow upward and also ensures the suction of a new portion of liquid through the open lower end of the tube. The simulation results show that the characteristic lifetime of the toroidal vortex significantly exceeds the duration of the growth and collapse stages of the cavitation bubble that generated it. It is demonstrated that the rise of the liquid level in the tube does not begin at the moment of bubble expansion, but after its complete disappearance, and continues over a relatively long period due to the inertia of the vortex motion. This result is in complete agreement with experimental data, confirming the validity of the proposed mechanism.

The study investigated the practically significant configuration of the laser-induced optocapillary effect using an optical fiber. This configuration opens broad prospects for technical and medical applications, particularly in laser surgery. The investigated mechanism can be used to create cavitation pumps — effective tools for cleaning technical surfaces and wound surfaces, where the process of removing damaged tissue and foreign bodies due to thermal exposure will be accompanied by the removal of debris through the tube, significantly increasing the efficiency and safety of the procedure.

The obtained results represent the first consistent explanation for a class of cavitation-induced capillary phenomena and create a foundation for their controlled application in biomedical and microfluidic technologies.

Предложен метод численного решения квазигидродинамических уравнений на неструктурированных треугольных сетках. В качестве сетки была использована триангуляция Делоне. Система уравнений аппроксимировалась с помощью метода конечных объемов. Граница области аппроксимировалась прямоугольными треугольниками. На основе данного алгоритма была разработана программа и проведена серия тестов, результаты которых показали, что данный алгоритм дает результаты, которые хорошо совпадают с результатами расчетов, выполненных на регулярных сетках.

A new flow modeling method on unstructured grid was proposed. As a basis system this method used quasi-hydro-dynamic equations. The finite volume method vas used for solving these equations. The Delaunay triangulation was used for constructing mesh. This proposed method was tested in modeling of incompressible flow through a channel with complex profile. The acquired results showed that the proposed method could be used in flow modeling in unstructured grid.

Предложена схема построения параметрического портрета интегральных уравнений теории жидкостей в приближении RISM. Для нахождения всех связных решений использован метод продолжения по параметру. Получены уравнения для молекулярных жидкостей, сводимых по соображениям симметрии к модели двуцентровых молекул. Для преодоления особых точек использован переход к зависимости уравнений RISM от обратной сжимаемости. С помощью предложенного метода проведены численные расчеты изотерм обратной сжимаемости метана для трех уравнений замыкания. В случае частично линеаризованного гиперцепного замыкания не обнаружено бифуркации решений. Для других замыканий получены бифуркации решений и обнаружено поведение, которое не характерно для модели простых жидкостей. В случае замыкания Перкуса-Йевика в области низких температур получены нефизические решения. Для гиперцепного замыкания в области температур выше критической точки получена дополнительная ветвь решений с изломом в точке бифуркации.

An approach to evaluation of a parametric portrait of integral equations of the theory of liquids in the RISM approximation was proposed. To obtain all associated solutions the continuation method was used. The equations reduced to a two-centered molecule model for symmetry reasons were deduced for molecular liquids. For molecular liquids, some equations were obtained which could be reduced, for symmetry reasons, to a two-center molecular model. To avoid critical points we changed the dependence of RISM-equations on reverse compressibility. The suggested method was used to perform numerical computations of methane reverse compressibility isotherms with three closures. No bifurcation of solutions was observed in the case of the partially linearized hypernetted chain closure. For other closures bifurcations of solutions were obtained and the model behavior nontypical for simple liquids was observed. In the case of Percus-Yevick closure nonphysical solutions were obtained at low temperature and density. Additional solution branch with a kink in the bifurcation point was obtained in the case of hypernetted chain closure at temperature above the critical point.

Для квантового описания поведения двуядерных систем на начальной стадии околобарьерного слияния тяжелых ядер использованы численные методы нахождения коллективных и одночастичных состояний. Коллективные возбужденные состояния в таких системах представляют собой согласованные колебания поверхностей сферических ядер. Одночастичные состояния внешних нейтронов аналогичны состояниям валентных электронов двухатомных молекул.

Numerical methods of obtaining collective and one-particle states were used for the quantum description of two-nuclear systems behavior at the initial stage of near-barrier heavy nuclei fusion. The collective exited states in such systems represent concordant oscillations of surfaces of spherical nuclei. The one-particle states of the external neutrons are similar to the states of valence electrons of diatomic molecules.

Построена математическая модель эволюции микробных популяций при длительном непрерывном культивировании на протоке. Модель представляет собой обобщение целого ряда известных математических моделей эволюции, в которых учитываются такие факторы генетической изменчивости как хромосомные мутации, мутации плазмидных генов, перенос плазмид между клетками микроорганизмов, потери плазмид при делении клеток и др. Для общей модели эволюции построена функция Ляпунова и на основании теоремы Ла-Салля доказано существование в пространстве состояний математической модели ограниченного, положительно инвариантного и глобально притягивающего множества. Дано аналитическое описание этого множества. Обсуждаются перспективы применения численных методов для оценки числа, местоположения и последующего исследования предельных множеств в математических моделях эволюции на протоке.

A mathematical model for the evolution of microbial populations during prolonged cultivation in a chemostat has been constructed. This model generalizes the sequence of the well-known mathematical models of the evolution, in which such factors of the genetic variability were taken into account as chromosomal mutations, mutations in plasmid genes, the horizontal gene transfer, the plasmid loss due to cellular division and others. Liapunov’s function for the generic model of evolution is constructed. The existence proof of bounded, positive invariant and globally attracting set in the state space of the generic mathematical model for the evolution is presented because of the application of La-Salle’s theorem. The analytic description of this set is given. Numerical methods for estimate of the number of limit sets, its location and following investigation in the mathematical models for evolution are discussed.