Архитектура программного комплекса для моделирования химических процессов в микрореакторах на основе модели C4

Введение. Микрореакторы требуют интенсивного вычислительного моделирования для анализа сложных многофазных химических процессов, однако существующие программные решения обладают ограниченной функциональностью или отличаются высокой стоимостью. На сегодняшний день отсутствует комплексная архитектурная платформа, объединяющая моделирование, идентификацию параметров, анализ чувствительности и гидродинамические расчеты в едином программном комплексе. Такая платформа необходима для оптимизации конструкций микрореакторов и повышения эффективности их проектирования. Метод. Применена методология архитектурного проектирования программного обеспечения C4, на основе которой была разработана клиент-серверная архитектура с модульным разделением на подсистемы. В качестве технологического стека использованы JavaScript для клиентской части и Python с Django REST Framework для серверной части, что обеспечивает кроссплатформенность и масштабируемость решения. Основные результаты. Разработана масштабируемая архитектура программного комплекса, предназначенного для решения прямых и обратных кинетических задач произвольных химических реакций, идентификации и оптимизации параметров процессов, а также анализа чувствительности с целью выявления ключевых факторов системы. Особое внимание уделено подсистеме гидродинамического моделирования, архитектура которой включает парсер входных данных, генератор динамических систем уравнений, а также решатели многофазных потоков и химических реакций на границе раздела фаз. Модульная структура обеспечивает независимую разработку компонентов и возможность расширения функциональности программного комплекса за счет внедрения новых или модификации существующих контейнеров. Проведена апробация разработанного программного комплекса на примере моделирования трехстадийной реакции переэтерификации для производства биодизельного топлива в Т-образном микросмесителе. Результаты численного моделирования подтвердили корректность работы подсистемы гидродинамического моделирования. Обсуждение. Предложенная архитектура формирует основу для создания открытого программного комплекса, доступного инженерам-проектировщикам микрореакторов, исследователям в области химии и студентам химико-технологических специальностей. Использование модели C4 обеспечивает четкое разделение ответственности между компонентами системы и упрощает ее масштабирование. Клиент серверная организация позволяет эффективно распределять вычислительную нагрузку и обеспечивает доступность системы для пользователей с различными аппаратными возможностями. Разработанная архитектура может служить основой для дальнейшей разработки специализированных программных средств в области проектирования микрореакторных систем и интеграции с системами автоматизированного проектирования.

1. Фомин А.А., Фомина Л.Н. Численное решение уравнений НавьеСтокса при моделировании двумерных течений вязкой несжимаемой жидкости // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2014. №3 (29). С. 94–108.

2. Лашкин С.В., Козельков А.С., Ялозо А.В., Герасимов В.Ю., Зеленский Д.К. Исследование эффективности параллельной реализации алгоритма SIMPLE на многопроцессорных ЭВМ // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. Т. 9. № 3. С. 298–315. doi: 10.7242/1999-6691/2016.9.3.25

3. Беляев К.В., Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л., Спаларт П.Р. Опыт прямого численного моделирования турбулентности на суперкомпьютерах // Суперкомпьютерные дни в России: Труды международной конференции. М.: Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова (Издательский Дом (Типография), 2016. С. 357–364.

4. Khaydarov V. Reaktionstechnische und CFD-Untersuchungen der Mikrovermischung in Mikroreaktoren unterschiedlicher Struktur und ihr Einfluss auf chemische Reaktionen zweiter Ordnung. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doctor rerum naturalium. Technische Universität Dresden, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften. Dresden, 2018. 203 s.

5. Очирова А.А., Ершов Д.К. Применение метода Морриса для оценки чувствительности параметров моделей // Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2023): Сборник трудов IX Международной научно-технической конференции. Белгород, 2023. С. 245–248.

6. Clements P., Bachmann F., Bass L., Garlan D., Ivers J., Little R., Merson P., Nord R., Stafford J. Documenting Software Architectures: Views and Beyond. Addison-Wesley Professional, 2010. 592 p.

7. Ганди Р., Ричардс М., Форд Н. Head First. Архитектура ПО. СПб: Питер, 2025. 480 с.

8. Макконнелл С. Совершенный код: мастер-класс. СПб.: БХВ, 2022. 867 с.

9. Zachman J.A. A framework for information systems architecture // IBM Systems Journal. 1987. V. 26. N 3. P. 276–292. doi: 10.1147/sj.263.0276

10. Richards M., Ford N. Fundamentals of Software Architecture: An Engineering Approach. O’Reilly Media, 2020. 422 p.

11. Kruchten P. Architecture blueprints — the “4+1” view model of software architecture // Tutorial Proceedings on TRI-Ada ‘95: Ada’s role in Global Markets: Solutions for a Changing Complex World. 1995. P. 540–555. doi: 10.1145/216591.216611

12. Brown S. The C4 Model: for Visualising Software Architecture. Leanpub, 2022. 106 p.

13. Enríquez R., Salazar A. Software Architecture with Spring 5.0: Design and Architect Highly Scalable, Robust, and High-Performance Java Applications. Packt Publishing, 2018. 372 p.

14. Jacobson I., Spence I., Kerr B. Use-case 2.0: the hub of software development // Queue. 2016. V. 14. N 1. P. 95–123. doi: 10.1145/2898442.2912151

15. Portha J.-F., Allain F., Coupard V., Dandeu C., Girot E., Schaer E., et al. Simulation and kinetic study of transesterification of triolein to biodiesel using modular reactors // Chemical Engineering Journal. 2012. V. 207-208. P. 285–298. doi: 10.1016/j.cej.2012.06.106

16. Sotiriadou S., Ntonti E., Velliadou D., Antoniadis K.D., Assael M.J., Huber M.L. Reference correlation for the viscosity of ethanol from the triple point to 620 K and pressures up to 102 MPa // International Journal of Thermophysics. 2023. V. 44. N 3. P. 40. doi: 10.1007/s10765-022-03149-z

17. Zongo A.S., Vaïtilingom G., Daho T., Caillol C., Hoffmann J.-F., Piriou B., et al. Temperature dependence of density, viscosity, thermal conductivity and heat capacity of vegetable oils for their use as biofuel in internal combustion engines // Advances in Chemical Engineering and Science. 2019. V. 9. N 1. P. 44–64. doi: 10.4236/aces.2019.91004

18. Richard R., Thiebaud-Roux S., Prat L. Modelling the kinetics of transesterification reaction of sunflower oil with ethanol in microreactors // Chemical Engineering Science. 2013. V. 87. P. 258-269. doi: 10.1016/j.ces.2012.10.014

19. Pontes P.C., Naveira-Cotta C.P., Quaresma J.N.N. Three-dimensional reaction-convection-diffusion analysis with temperature influence for biodiesel synthesis in micro-reactors // International Journal of Thermal Sciences. 2017. V. 118. P. 104–122. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.03.022

20. Rasouli M.R., Abouei Mehrizi A., Lashkaripour A. Numerical study on low Reynolds mixing of T-Shaped micro-mixers with obstacles // Transport Phenomena in Nanoscience and Microtechnology Series. 2015. V. 3. N 2. P. 68–76. doi: 10.7508/tpnms.2015.02.001

21. Greenshields C.J., Weller H.G. Notes on Computational Fluid Dynamics: General Principles. CFD Direct Limited, 2022. 314 p.

22. Santana H.S., Tortola D.S., Silva J.L.jr, Taranto O.P. Biodiesel synthesis in micromixer with static elements // Energy Conversion and Management. 2016. V. 141. P. 28–39. doi: 10.1016/j.enconman.2016.03.089