Програмно-алгоритмічне забезпечення паралельного розрахунку неізотермічного вологоперенесення на підставі апарату похідних дробового порядку

2022;
: сс. 95 - 106
1
Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів, Україна
2
Національний університет «Львівська політехніка», кафедра електронних обчислювальних машин
3
Національний університет «Львівська політехніка»
4
Національний лісотехнічний університет України, Львів, Україна

Побудовано нову математичну модель нестаціонарного процесу тепло- і вологообміну в двовимірній області на основі використання похідних Капуто та Грюнвальда-Летникова. Розроблено неявну скінченно-різницеву схему для апроксимації математичної моделі ноізотермічного вологоперенесення з урахуванням дробового інтегро-диференціального апарату. Наведений алгоритм чисельної реалізації моделі дозволяє отримати значення функції температури і вологості для всіх точок області розбиття. Для чисельної реалізації математичної моделі адаптовано метод дробових кроків. Це дозволило провести паралельні обчислення двох різницевих півкроків з урахуванням відповідної просторової координати. Реалізований алгоритм паралельного розрахунку неізотермічного волого-перенесення в матеріалах фрактальної структури дає можливість отримати достовірний результат без необхідності проведення складних і дороговартісних практичних експериментів. Для розроблення програмного забезпечення пропонується використовувати шаблон проектування Model-View-Presenter. У програмному забезпеченні розроблено паралельний алгоритм із використанням потоків

.Net і алгоритмічних особливостей бібліотеки TPL. Для вимірювання часу виконання послідовних і паралельних алгоритмів використовувався клас .NET Stopwatch. Тестування програмного забезпечення здійснено на багатоядерних комп'ютерних системах з центральним процесором різної потужності. Досліджується двовимірний випадок для області розбиття квадратної форми, широкої прямокутної форми та високої прямокутної форми. Наведено графіки динаміки прискорення та ефективності алгоритмів, а також проведено їх аналіз. Для згладжування графіків прискорення та ефективності алгоритмів застосовуємо апроксимацію експериментальних даних.

  1. Y. Sokolovskyy, M. Levkovych, V. Yarkun, Y. Protsyk, A. Nechepurenko (2020). Parallel Realization of the Problem of Heat and Moisture Transfer in Fractal-structure Materials. IEEE 15th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies, CSIT 2020 - Proceedings, pp. 86–90. https://doi.org/10.1109/CSIT49958.2020.9322021
  2. Y. Sokolovskyy, A. Nechepurenko, T. Samotii, S. Yatsyshyn, O. Mokrytska, V. Yarkun (2020) Software and algorithmic support for finite element analysis of spatial heat-and-moisture transfer in anisotropic capillary-porous materials. IEEE 3rd International Conference on Data Stream Mining and Processing, DSMP 2020, 2020, pp. 316–320. https://doi.org/10.1109/DSMP47368.2020.9204175
  3. Maduna, Lebo & Patnaik, Asis. (2020). Heat, moisture and air transport through clothing textiles. Textile Progress. 52. 129-166.  http://dx.doi.org/10.1080/00405167.2021.1955524
  4. M. Zayernouri, G. E. Karniadakis. (2014). Exponentially accurate spectral and spectral element methods for fractional ODEs, J. Comput. Phys., vol. 257, pp. 460-480.  https://doi.org/10.1016/j.jcp.2013.09.039
  5. C.P. Li, R.F. Wu, H.F. Ding. (2015). High-order approximation to Caputo derivatives and Caputo- type advection-diffusion equations. Communications in Applied and Industrial Mathematics, 6(2), e-536: 1- 32. https://doi.org/10.1016/j.cam.2015.11.037
  6. Gaston C. Hillar. (2012). “Professional Parallel Programming with C#: Master Parallel Extensions with .NET 4”, Willey Publishing Inc., р.576
  7. F. Zhu, Y. Zhou, S. Liu. (2013) “Analysis of the moisture diffusion transfer through fibrous porous membrane used for waterproof breathable fabrics”, Heat and Mass Transfer vol.49, pp.1503–1508.  http://dx.doi.org/10.1007/s00231-013-1191-2
  8. S. Toub. (2010). Patterns of Parallel Programming, Microsoft Corporation, p.118.
  9. Y. Sokolovskyy, V. Shymanskyi, M. Levkovych, V. Yarkun (2016) “Mathematical modeling of heat and moisture transfer and reological behavior in materials with fractal structure using the parallelization of predictor-corrector numerical method”, 2016 IEEE First International Conference on Data Stream Mining & Processing (DSMP), Lviv, pp. 108-111. https://doi.org/10.1109/DSMP.2016.7583518
  10. A. Baban, C. Bonchis, A. Fikl, F. Rosu. (2016). Parallel simulations for fractional-order systems. 18th International Symposium on Symbolic and Numeric Algorithms for Scientific Computing (SYNASC), pp. 141-144. https://doi.org/10.1109/SYNASC.2016.033
  11. D. Tavares, R. Almeida, D. Torres. (2016). “Caputo derivatives of fractional variable order: Numerical approximations”, Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Volume 35, Pages 69-87. http://dx.doi.org/10.1016/j.cnsns.2015.10.027
  12. N. Kalinnik, T. Rauber. (2018). “Execution Behavior Analysis of Parallel Schemes for Implicit Solution Methods for ODEs”. 17th International Symposium on Parallel and Distributed Computing (ISPDC), 2018, pp. 1-8. https://doi.org/10.1109/ISPDC2018.2018.00010
  13. Y. Sokolovskyy, M. Levkovych, O. Mokrytska, V. Atamanvuk. (2018). “Mathematical Modeling of Two-Dimensional Deformation-Relaxation Processes in Environments with Fractal Structure”, IEEE 2nd International Conference on Data Stream Mining and Processing, DSMP 2018, pp. 375–380.  https://doi.org/10.1109/DSMP.2018.8478569
  14. С. Bonchis, E. Kaslik, F. Rosu. (2019). “HPC optimal parallel communication algorithm for the simulation of fractional-order systems”, Journal of Supercomputing, 2019, 75(3), pp. 1014–1025.  https://link.springer.com/article/10.1007/s11227-018-2267-z
  15. Y. Sokolovskyy, M. Levkovych, I. Sokolovskyy. (2020). The study of heat transfer and stress- strain state of a material, taking into account its fractal structure, Mathematical Modeling and Computing, pp. 400–409. https://doi.org/10.23939/mmc2020.02.400