首页 理论教育计算机模拟在反应机理研究中的重要作用

计算机模拟在反应机理研究中的重要作用

【摘要】:计算机模拟,又称为计算机仿真,是指利用计算机程序建立研究对象的数学模型或描述模型,并在计算机上加以体现和试验。这是关系到计算机模拟是否有效的关键问题。计算机模拟与计算机硬件和软件技术的发展关系非常密切。在微观尺度上,微观粒子的结构和性质起重要作用,所以计算机模拟可用于反应机理模拟研究等。

计算机模拟,又称为计算机仿真,是指利用计算机程序建立研究对象的数学模型或描述模型,并在计算机上加以体现和试验。研究对象包括各种类型的系统,它们的模型是指借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述。把这种数学模型或描述模型转换成对应的计算机上可执行的程序,给出系统参数、初始状态和环境条件等输入数据后,可在计算机上进行运算得出结果,并提供各种直观形式的输出,还可根据对结果的分析改变有关参数或系统模型的部分结构,重新进行运算。

当人们设计和构造复杂的系统时,或研究自然界、人类社会中漫长的演变过程和不易重复试验的事物时,若对研究对象本身进行试验,从时间、人力、物力等因素考虑要付出昂贵的代价,甚至不可能进行。计算机模拟通过反复试验,帮助人们了解系统的性能,检验预想的假设,进行系统分析、设计、预测或评估,还可提供相当逼真的环境,借以培养和训练人员。计算机模拟已成为工程研制、自然科学研究、经济和社会问题研究、教学训练活动、军事研究、组织管理等许多领域中的一个有力的工具。

(1)计算机模拟工作步骤

①形成问题,明确模拟的目的和要求。

②尽可能收集和处理系统有关的数据。

③形成数学模型,找出组成系统的各个部件,并描述它们在各时刻状态的有关变量(一般包括输入变量、状态变量和输出变量)或参数;确定各部件之间相互作用和影响的规则,即这些描述变量之间的函数关系。

④根据收集的数据确定或估计模型中的参数,并选择模型的初始状态。

⑤设计逻辑或信息的流程图,直至编制出计算机程序。

⑥程序验证,检验程序与数学模型之间的一致性,以及输入量的合理性。

⑦进行模拟试验,对给定的输入在计算机上执行程序。

⑧结果数据分析,收集和整理试验结果并作出解释。必要时可改变输入量或部分模型结构,重新进行试验。

⑨模型确认,检验由模型所得的结果与真实系统的性能数据的一致性程度。这是关系到计算机模拟是否有效的关键问题。它依赖于对真实系统本身进行试验的水平,能否获得足够的观测数据和判别一致性的准则。模型有效的级别可分为:重构有效的,即模型可重构真实系统的性能;预测有效的,即模型能有效地预测真实系统的未来性能;构成有效的,即模型能反映真实系统内部的结构。

编制模拟程序时可采用汇编语言、通用编程语言(如FORTRAN,ALGOL等),还可采用各种模拟语言。模拟语言可分为离散事件模拟语言(如GPSS及其各种改型、SIMSCRIPT、GASD、CSL、SIMULA等)和连续系统模拟语言(如DARE、ACSL、CSS、CSSL等)两大类型。对于各种应用领域还有专用的模拟语言。

计算机模拟与计算机硬件和软件技术的发展关系非常密切。为便于建立模型和进行模型的有效性检验,人们企图使模拟模型在时间和空间上与真正的系统有一定程度的相似关系。在模拟过程中,希望能方便地改变参数甚至改变模型的结构,并能通过键盘命令随时输出数据和图表。因此,计算机模拟要求计算机有很强的并行处理能力,有较高的运算速度,有人机交互能力和便于使用的模拟语言。

(2)应用 计算机模拟的尺度既可以是宏观的,也可以是微观的。在宏观尺度上,可以用实验数据库预测工艺流程、操作条件及系统的性质,计算材料的力学和加工性能,一般用于化工过程模拟、机械设计与制造(如汽车设计与装配)等领域。在微观尺度上,微观粒子的结构和性质起重要作用,所以计算机模拟可用于反应机理模拟研究等。