Model matematyczny systemów wentylacyjnych. Wentylacja wywiewna warsztatu produkcyjnego. Wentylatory promieniowe nawiewno-wywiewne

Wysyłanie dobrej pracy do bazy wiedzy jest proste. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy będą Ci bardzo wdzięczni.

Podobne dokumenty

    Podstawy funkcjonowania systemu automatyczna kontrola wentylacja nawiewno-wywiewna, jego budowa i opis matematyczny. Ekwipunek proces technologiczny... Dobór i kalkulacja regulatora. Badanie stabilności ATS, wskaźniki jej jakości.

    praca semestralna, dodana 16.02.2011

    ogólna charakterystyka i cel, zakres praktycznego zastosowania systemu automatycznego sterowania wentylacją nawiewno-wywiewną. Automatyzacja procesu regulacji, jej zasady i etapy realizacji. Dobór funduszy i ich ekonomiczne uzasadnienie.

    praca dyplomowa, dodana 04.10.2011

    Analiza istniejących typowych schematów automatyki wentylacji w halach produkcyjnych. Model matematyczny procesu wentylacji pomieszczenia przemysłowe, dobór i opis narzędzi automatyzacji i sterowania. Kalkulacja kosztów projektu automatyzacji.

    praca dyplomowa, dodana 06/11/2012

    Analiza porównawcza charakterystyka techniczna typowe projekty wieże chłodnicze. Elementy systemów wodociągowych i ich klasyfikacja. Model matematyczny procesu zaopatrzenia w wodę obiegową, dobór i opis urządzeń automatyki i elementów sterowania.

    praca dyplomowa, dodana 09.04.2013 r.

    Ogólna charakterystyka rurociągu naftowego. Charakterystyka klimatyczno-geologiczna terenu. Ogólny układ przepompowni. Przepompownie i cysterna PS-3 "Almetyevsk". Obliczenia systemu wentylacji nawiewno-wywiewnej pompowni.

    praca dyplomowa, dodana 17.04.2013

    Analiza opracowania projektu konstrukcyjnego laski ozdobnej. Heraldyka jako szczególna dyscyplina zajmująca się badaniem herbów. Metody wykonywania oprzyrządowania do modeli woskowych. Etapy obliczania wentylacji nawiewno-wywiewnej dla przedziału hutniczego.

    praca dyplomowa, dodana 26.01.2013

    Opis instalacji jako obiektu automatyzacji, możliwości usprawnienia procesu technologicznego. Obliczanie i dobór elementów zespołu środków technicznych. Obliczanie systemu automatycznego sterowania. Tworzenie oprogramowania aplikacyjnego.

    praca dyplomowa, dodana 24.11.2014

1

W pracy zbadano procesy modelowania wentylacji i rozpraszania jej emisji w atmosferze. Modelowanie opiera się na rozwiązaniu układu równań Naviera-Stokesa, praw zachowania masy, pędu, ciepła. Rozważane są różne aspekty numerycznego rozwiązania tych równań. Zaproponowano układ równań do obliczania wartości współczynnika turbulencji tła. Dla aproksymacji hipersonicznej zaproponowano rozwiązanie, wraz z przedstawionymi w artykule równaniami dynamiki płynów, równaniem stania idealnego gazu rzeczywistego i pary. Równanie to jest modyfikacją równania van der Waalsa i dokładniej uwzględnia wielkość cząsteczek gazu lub pary oraz ich wzajemne oddziaływanie. Na podstawie warunku stabilności termodynamicznej otrzymuje się zależność pozwalającą na wykluczenie pierwiastków niemożliwych do zrealizowania przy rozwiązywaniu równania względem objętości. Przeprowadzana jest analiza znanych modeli obliczeniowych i pakietów obliczeniowych dynamiki płynów.

modelowanie

wentylacja

turbulencja

równania przenikania ciepła i masy

równanie stanu

prawdziwy gaz

rozpusta

1. Berlyand M. Ye. Współczesne problemy dyfuzja atmosfery i zanieczyszczenie powietrza. - L .: Gidrometeoizdat, 1975 .-- 448 s.

2. Belyaev NN Modelowanie procesu dyspersji toksycznego gazu w warunkach budowlanych // Biuletyn DIIT. - 2009r. - nr 26 - S. 83-85.

3. Byzova NL Badania eksperymentalne dyfuzji atmosferycznej i obliczenia rozpraszania domieszek / NL Byzova, EK Garger, VN Ivanov. - L .: Gidrometeoizdat, 1985 .-- 351 s.

4. Datsyuk TA Modelowanie dyspersji emisji wentylacyjnych. - SPb: SPBGASU, 2000 .-- 210 s.

5. Sauts AV Zastosowanie algorytmów grafiki kognitywnej i metod analizy matematycznej do badania właściwości termodynamicznych izobutanu R660A na linii nasycenia: Grant nr 2C/10: raport z badań (wniosek) / GOUVPO SPBGASU; ręce. Gorokhov V.L., isp.: Sauts A.V.- SPb, 2011.- 30 s.: chory .- Bibliografia: s. 30.- Nr GR 01201067977.-Inw. nr 02201158567.

Wstęp

Projektując kompleksy przemysłowe i obiekty unikatowe, należy kompleksowo uzasadnić zagadnienia związane z zapewnieniem jakości środowiska powietrza oraz standaryzowanych parametrów mikroklimatu. Ze względu na wysokie koszty produkcji, montażu i eksploatacji systemów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, na jakość obliczeń inżynierskich stawiane są podwyższone wymagania. Aby wybrać racjonalny rozwiązania projektowe w dziedzinie wentylacji konieczna jest umiejętność analizy sytuacji jako całości, tj. ukazać przestrzenną relację dynamicznych procesów zachodzących wewnątrz lokalu i w atmosferze. Oceń skuteczność wentylacji, która zależy nie tylko od ilości powietrza dostarczanego do pomieszczenia, ale także od przyjętego schematu rozprowadzenia i stężenia powietrza szkodliwe substancje w powietrzu zewnętrznym w miejscach wlotów powietrza.

Cel artykułu- wykorzystanie zależności analitycznych, za pomocą których wykonuje się obliczenia ilości szkodliwych emisji, do określenia wymiarów kanałów, kanałów powietrznych, kopalń oraz doboru metody uzdatniania powietrza itp. W takim przypadku wskazane jest użycie oprogramowania Potok z modułem VSV. Do przygotowania wstępnych danych niezbędne jest posiadanie schematów projektowanych systemów wentylacyjnych z zaznaczeniem długości sekcji i strumieni powietrza na sekcjach końcowych. Dane wejściowe do obliczeń to opis systemów wentylacyjnych i wymagania dla nich. Za pomocą modelowania matematycznego rozwiązywane są następujące zagadnienia:

  • wybór najlepszych opcji dostarczania i usuwania powietrza;
  • rozkład parametrów mikroklimatu według kubatury pomieszczeń;
  • ocena reżimu aerodynamicznego budynku;
  • dobór miejsc do wlotu i wywiewu powietrza.

Pola prędkości, ciśnienia, temperatury, stężeń w pomieszczeniu i atmosferze powstają pod wpływem wielu czynników, których połączenie jest trudne do uwzględnienia w inżynierskich metodach obliczeniowych bez użycia komputera.

Wykorzystanie modelowania matematycznego w zagadnieniach wentylacji i aerodynamiki opiera się na rozwiązaniu układu równań Naviera - Stokesa.

Do symulacji przepływów turbulentnych konieczne jest rozwiązanie układu równań zachowania masy i Reynoldsa (zachowania pędu):

(2)

gdzie T- czas, x= X i , J , k- współrzędne przestrzenne, ty=ty ja , J , k - składowe wektora prędkości, r- ciśnienie piezometryczne, ρ - gęstość, τ ij- elementy tensora naprężeń, s m- źródło masy, ja- elementy źródła impulsów.

Tensor naprężenia jest wyrażony jako:

(3)

gdzie s ij- tensor szybkości odkształcenia; δ ij- tensor dodatkowych naprężeń powstających w wyniku obecności turbulencji.

Aby uzyskać informacje na temat pól temperatury T i koncentracja z substancje szkodliwe, system uzupełniają następujące równania:

równanie zachowania ciepła

pasywne równanie zachowania zanieczyszczeń z

(5)

gdzie Cr- współczynnik pojemności cieplnej, λ - współczynnik przewodności cieplnej, k= k ja , J , k jest współczynnikiem turbulencji.

Podstawowy współczynnik turbulencji k podstawy wyznacza się za pomocą układu równań:

(6)

gdzie k F - współczynnik turbulencji tła, k f = 1-15 m 2 / s; ε = 0,1-04;

Współczynniki turbulencji wyznacza się za pomocą równań:

(7)

Na otwartej przestrzeni o niskim rozproszeniu wartość k z jest określone równaniem:

k k = k 0 z /z 0 ; (8)

gdzie k 0 - wartość k k na wysokości z 0 (k 0 = 0,1 m 2 / s w z 0 = 2 m).

Na otwartej przestrzeni profil prędkości wiatru nie jest zdeformowany;

Przy nieznanej stratyfikacji atmosferycznej na otwartym terenie można określić profil prędkości wiatru:

; (9)

gdzie z 0 jest daną wysokością (wysokość wiatrowskazu); ty 0 - prędkość wiatru na wysokości z 0 ; b = 0,15.

Z zastrzeżeniem warunku (10), lokalne kryterium Richardsona Ri zdefiniowana jako:

(11)

Rozróżnijmy równanie (9), zrównajmy równania (7) i (8), stamtąd wyrażamy k podstawy

(12)

Zrównajmy równanie (12) z równaniami układu (6). Do otrzymanej równości podstawiamy (11) i (9), w ostatecznej postaci otrzymujemy układ równań:

(13)

Pulsujący termin, zgodnie z ideami Boussinesqa, jest reprezentowany jako:

(14)

gdzie μ T- lepkość turbulentna, a dodatkowe wyrazy w równaniach transferu energii i składniki domieszek są modelowane w następujący sposób:

(15)

(16)

Układ równań zamykamy za pomocą jednego z opisanych poniżej modeli turbulencji.

Dla przepływów turbulentnych badanych w praktyce wentylacyjnej wskazane jest zastosowanie hipotezy Boussinesqa o niewielkich zmianach gęstości lub tzw. przybliżenia „hiposonicznego”. Zakłada się, że naprężenia Reynoldsa są proporcjonalne do uśrednionych w czasie szybkości odkształcania. Wprowadza się współczynnik lepkości turbulentnej, pojęcie to wyraża się jako:

. (17)

Efektywny współczynnik lepkości jest obliczany jako suma współczynników molekularnych i turbulentnych:

(18)

Przybliżenie „hiposoniczne” zakłada rozwiązanie, wraz z powyższymi równaniami, równania stania gazu doskonałego:

ρ = P/(RT) (19)

gdzie P - ciśnienie w środowisko; r- stała gazowa.

Aby uzyskać dokładniejsze obliczenia, gęstość zanieczyszczeń można określić za pomocą zmodyfikowanego równania van der Waalsa dla rzeczywistych gazów i par

(20)

gdzie stałe n oraz m- wziąć pod uwagę asocjację / dysocjację cząsteczek gazu lub pary; ale- uwzględnia inne interakcje; b" - uwzględnienie wielkości cząsteczek gazu; = 1 / ρ.

Oddzielając od równania (12) ciśnienie r i różnicując ją objętościowo (z uwzględnieniem stabilności termodynamicznej) otrzymamy następującą zależność:

. (21)

Takie podejście pozwala na znaczne skrócenie czasu obliczeń w porównaniu z przypadkiem wykorzystania pełnych równań dla gazu ściśliwego bez zmniejszania dokładności uzyskiwanych wyników. Nie ma analitycznego rozwiązania powyższych równań. W związku z tym stosuje się metody numeryczne.

Aby rozwiązać problemy z wentylacją związane z przenoszeniem substancji skalarnych przez przepływ turbulentny, przy rozwiązywaniu równań różniczkowych stosuje się schemat podziału dla procesów fizycznych. Zgodnie z zasadami dzielenia, całkowanie skończonych różnic równań hydrodynamiki i konwekcyjno-dyfuzyjnego przenoszenia substancji skalarnej na każdym kroku czasowym Δ T odbywa się w dwóch etapach. W pierwszym etapie obliczane są parametry hydrodynamiczne. W drugim etapie równania dyfuzji są rozwiązywane na podstawie obliczonych pól hydrodynamicznych.

Wpływ przewodzenia ciepła na kształtowanie się pola prędkości powietrza uwzględniono za pomocą przybliżenia Boussinesqa: do równania ruchu na składową pionową prędkości wprowadza się dodatkowy człon, który uwzględnia siły wyporu.

Istnieją cztery podejścia do rozwiązywania problemów turbulentnego ruchu płynu:

  • modelowanie bezpośrednie „DNS” (rozwiązanie niestacjonarnych równań Naviera-Stokesa);
  • rozwiązanie uśrednionych równań Reynoldsa „RANS”, których układ nie jest jednak domknięty i wymaga dodatkowych relacji domykających;
  • metoda dużych wirów «LES » , który opiera się na rozwiązaniu niestacjonarnych równań Naviera-Stokesa z parametryzacją wirów skali podsieci;
  • metoda "DES" , będące połączeniem dwóch metod: w strefie przepływów rozdzielonych – „LES”, oraz w obszarze przepływu „gładkiego” – „RANS”.

Najatrakcyjniejsza z punktu widzenia dokładności otrzymanych wyników jest niewątpliwie metoda bezpośredniej symulacji numerycznej. Jednak obecnie możliwości technologii komputerowej nie pozwalają jeszcze na rozwiązywanie problemów z geometrią rzeczywistą i liczbami. Odnośnie, oraz z rozdzielczością wirów wszystkich rozmiarów. Dlatego przy rozwiązywaniu szerokiego zakresu problemów inżynierskich stosuje się rozwiązania numeryczne równań Reynoldsa.

Obecnie certyfikowane pakiety takie jak „STAR-CD”, „FLUENT” czy „ANSYS/FLOTRAN” są z powodzeniem wykorzystywane do symulacji zadań wentylacyjnych. Przy prawidłowo sformułowanym problemie i algorytmie racjonalnego rozwiązania ilość uzyskanych informacji pozwala na wybór na etapie projektowania najlepsza opcja, ale wykonywanie obliczeń przy użyciu tych programów wymaga odpowiedniego przeszkolenia, a ich nieprawidłowe użycie może prowadzić do błędnych wyników.

Jako „przypadek bazowy” można uznać wyniki ogólnie przyjętych metod obliczania bilansów, które umożliwiają porównanie wartości całkowitych charakterystycznych dla rozważanego problemu.

Jeden z ważne punkty przy korzystaniu z uniwersalnych systemów oprogramowania do rozwiązywania problemów z wentylacją należy wybrać model turbulencji. Do tej pory wiadomo duża liczba różne modele turbulencji, które są używane do zamykania równań Reynoldsa. Modele turbulencji są klasyfikowane według liczby parametrów dla charakterystyk turbulencji, odpowiednio jednoparametrowych, dwu- i trzyparametrowych.

Większość półempirycznych modeli turbulencji w taki czy inny sposób wykorzystuje „hipotezę lokalizacji mechanizmu przenoszenia turbulentnego”, zgodnie z którą mechanizm przenoszenia pędu turbulentnego jest całkowicie określony przez określenie lokalnych pochodnych uśrednionych prędkości i właściwości fizyczne płyny. Hipoteza ta nie uwzględnia wpływu procesów zachodzących daleko od rozważanego punktu.

Najprostsze są modele jednoparametrowe wykorzystujące koncepcję lepkości turbulentnej «n T», a turbulencje są uważane za izotropowe. Zmodyfikowana wersja „n T-92" jest zalecany do modelowania strumieni i rozdzielonych przepływów. Jednoparametrowy model "S-A" (Spalart - Almaras), który zawiera równanie przeniesienia dla wielkości, również daje dobrą zgodność z wynikami eksperymentalnymi.

Brak modeli z jednym równaniem transportu wynika z braku informacji o rozkładzie skali turbulencji L... Według kwoty L wpływają na procesy transferu, metody powstawania turbulencji, rozpraszanie energii turbulentnej. Uniwersalna zależność do ustalenia L nie istnieje. Równanie na skalę turbulencji L często okazuje się właśnie równaniem, które określa dokładność modelu i odpowiednio obszar jego stosowalności. Zasadniczo zakres tych modeli ogranicza się do stosunkowo prostych przepływów ścinających.

W modelach dwuparametrowych, z wyjątkiem skali turbulencji L, jako drugi parametr stosuje się szybkość rozpraszania energii turbulentnej . Takie modele są najczęściej wykorzystywane we współczesnej praktyce obliczeniowej i zawierają równania transferu energii turbulencji i rozpraszania energii.

Dobrze znany model zawiera równania przenoszenia energii turbulencji k oraz szybkość rozpraszania energii turbulentnej ε. Modele takie jak „ k- e " może być stosowany zarówno do przepływów przyściennych, jak i do bardziej złożonych przepływów rozdzielonych.

Modele dwuparametrowe stosowane są w wersji o niskim i wysokim Reynoldsie. W pierwszym uwzględniono bezpośrednio mechanizm oddziaływania transportu molekularnego i turbulentnego w pobliżu powierzchni stałej. W wersji z wysokim Reynoldsem mechanizm przepływu turbulentnego w pobliżu granicy stałej jest opisany specjalnymi funkcjami przyściennymi, które wiążą parametry przepływu z odległością od ściany.

Obecnie najbardziej obiecującymi modelami są modele SSG i Gibson-Launder, które wykorzystują nieliniową zależność między tensorem naprężeń turbulentnych Reynoldsa a tensorem uśrednionych prędkości odkształcenia. Zostały zaprojektowane w celu poprawy prognozowania prądów separacji. Ponieważ wszystkie składowe tensorowe są w nich obliczane, wymagają one dużych zasobów komputerowych w porównaniu z modelami dwuparametrowymi.

W przypadku złożonych przepływów rozdzielonych pewne zalety ujawniono dzięki zastosowaniu jednoparametrowych modeli „n T-92 "," S-A "w dokładności przewidywania parametrów przepływu i szybkości zliczania w porównaniu z modelami dwuparametrowymi.

Na przykład program „STAR-CD” przewiduje wykorzystanie modeli takich jak „ k- e ”, Spalart - Almaras,„ SSG ”,„ Gibson-Launder ”, a także metoda dużych wirów„ LES ”i metoda„ DES ”. Dwie ostatnie metody lepiej nadają się do obliczania ruchu powietrza w złożonych geometriach, w których pojawią się liczne oddzielone obszary wirowe, ale wymagają one dużych zasobów obliczeniowych.

Wyniki obliczeń w znacznym stopniu zależą od wyboru siatki obliczeniowej. Obecnie stosowane są specjalne programy siatkowe. Komórki siatkowe mogą mieć różne kształty i rozmiary, aby jak najlepiej pasowały do ​​konkretnego zastosowania. Najprostszym typem siatki są takie same komórki, które mają kształt sześcienny lub prostokątny. Stosowane obecnie w praktyce inżynierskiej uniwersalne programy obliczeniowe umożliwiają pracę na dowolnych, nieustrukturyzowanych siatkach.

Do wykonania obliczeń do numerycznej symulacji problemów wentylacyjnych konieczne jest ustalenie warunków brzegowych i początkowych tj. wartości zmiennych zależnych lub ich normalne gradienty na granicach domeny obliczeniowej.

Specyfikacja z wystarczającą dokładnością cech geometrycznych badanego obiektu. Do tych celów można polecić takie pakiety jak „SolidWorks”, „Pro/Engeneer”, „NX Nastran” do budowy modeli trójwymiarowych. Podczas konstruowania siatki obliczeniowej dobiera się liczbę komórek tak, aby uzyskać niezawodne rozwiązanie przy minimalnym czasie obliczeń. Należy wybrać jeden z półempirycznych modeli turbulencji, który jest najbardziej efektywny dla rozważanego przepływu.

W wniosek dodajemy, że dobre zrozumienie jakościowego aspektu toczących się procesów jest niezbędne do prawidłowego sformułowania warunków brzegowych problemu i oceny wiarygodności wyników. Modelowanie emisji z wentylacji na etapie projektowania obiektów można uznać za jeden z aspektów modelowania informacji mającego na celu zapewnienie bezpieczeństwa środowiskowego obiektu.

Recenzenci:

  • Volikov Anatoly Nikolaevich, doktor nauk technicznych, profesor Wydziału Zaopatrzenia w Ciepło i Gaz oraz Ochrony Basenów Powietrznych, FGBOU VPOI „SPBGASU”, St. Petersburg.
  • Połuszkin Witalij Iwanowicz, doktor nauk technicznych, profesor, profesor Wydziału Ogrzewnictwa, Wentylacji i Klimatyzacji, FGBOU VPO „SPbGASU”, St. Petersburg.

Odniesienie bibliograficzne

Datsyuk T.A., Sauts A.V., Yurmanov B.N., Taurit V.R. MODELOWANIE PROCESÓW WENTYLACJI // Współczesne problemy nauki i edukacji. - 2012 r. - nr 5 .;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6744 (data dostępu: 17.10.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez "Akademię Nauk Przyrodniczych" Daria Denisikhina, Maria Lukanina, Michaił Samoletow

W nowoczesny świat nie można już obejść się bez matematycznego modelowania przepływu powietrza w projektowaniu systemów wentylacyjnych.

We współczesnym świecie przy projektowaniu systemów wentylacyjnych nie można już obejść się bez matematycznego modelowania przepływu powietrza. Konwencjonalne techniki inżynieryjne doskonale nadają się do typowych pomieszczeń i standardowych rozwiązań dystrybucji powietrza. Kiedy projektant ma do czynienia z obiektami niestandardowymi, z pomocą powinny mu przyjść metody modelowania matematycznego. Artykuł poświęcony jest badaniu dystrybucji powietrza w zimnych porach roku w wytwórni rur. Warsztat ten jest częścią kompleksu fabrycznego położonego w ostrym klimacie kontynentalnym.

W XIX wieku uzyskano równania różniczkowe do opisu przepływu cieczy i gazów. Sformułowali je francuski fizyk Louis Navier i brytyjski matematyk George Stokes. Równania Naviera-Stokesa należą do najważniejszych w hydrodynamice i są wykorzystywane w matematycznym modelowaniu wielu zjawisk przyrodniczych i problemów technicznych.

Za ostatnie lata zgromadził w budownictwie szeroką gamę obiektów złożonych geometrycznie i termodynamicznie. Zastosowanie metod obliczeniowej mechaniki płynów znacznie zwiększa możliwości projektowania systemów wentylacyjnych, umożliwiając z dużą dokładnością przewidywanie rozkładów prędkości, ciśnienia, temperatury, koncentracji składników w dowolnym punkcie budynku lub w dowolnym jego terenie .

Intensywne wykorzystanie metod obliczeniowej dynamiki płynów rozpoczęło się w 2000 roku, kiedy pojawiły się uniwersalne powłoki oprogramowania (pakiety CFD), które umożliwiły znalezienie numerycznych rozwiązań układu równań Naviera - Stokesa w odniesieniu do obiektu zainteresowania. Od tego czasu "BURO TEKHNIKI" zajmuje się modelowaniem matematycznym w odniesieniu do zagadnień wentylacji i klimatyzacji.

Opis zadania

W tym badaniu symulacje numeryczne przeprowadzono przy użyciu STAR-CCM +, pakietu CFD opracowanego przez CD-Adapco. Operatywność ten pakiet przy rozwiązywaniu problemów z wentylacją było
Był wielokrotnie testowany na obiektach o różnym stopniu złożoności, od pomieszczeń biurowych po sale teatralne i stadiony.

Problem jest bardzo interesujący zarówno z punktu widzenia projektowania, jak i modelowania matematycznego.

Temperatura powietrza na zewnątrz -31°C. W pomieszczeniu znajdują się obiekty o znacznym obciążeniu cieplnym: piec hartowniczy, piec do odpuszczania itp. Występują więc duże różnice temperatur pomiędzy zewnętrznymi konstrukcjami obudowy a wewnętrznymi obiektami wytwarzającymi ciepło. W związku z tym w symulacji nie można pominąć udziału radiacyjnej wymiany ciepła. Dodatkowa trudność w matematycznym sformułowaniu problemu polega na tym, że na zmianę kilka razy wjeżdża do budynku ciężki pociąg o temperaturze -31°C. Stopniowo się nagrzewa, schładzając otaczające go powietrze.

Aby utrzymać wymaganą temperaturę powietrza w objętości warsztatu (w zimnej porze co najmniej 15 ° C), projekt przewiduje systemy wentylacji i klimatyzacji. Na etapie projektowania obliczono przepływ i temperaturę nawiewanego powietrza niezbędną do utrzymania wymaganych parametrów. Pozostało pytanie - jak dostarczyć powietrze do objętości warsztatu, aby zapewnić najbardziej równomierny rozkład temperatury w całej objętości. Modelowanie umożliwiło przez stosunkowo krótki okres czasu (od dwóch do trzech tygodni) zobaczyć schemat przepływu powietrza dla kilku opcji nawiewu, a następnie je porównać.

ETAPY MODELOWANIA MATEMATYCZNEGO

  • Budowanie geometrii bryłowej.
  • Podział przestrzeni roboczej na komórki siatki obliczeniowej. Należy z góry przewidzieć obszary, w których wymagane będzie dodatkowe udoskonalenie komórki. Podczas budowania siatki bardzo ważne jest znalezienie środka, w którym rozmiar komórki jest wystarczająco mały, aby uzyskać prawidłowe wyniki, podczas gdy całkowita liczba komórek nie będzie tak duża, aby przeciągnąć czas obliczeń do niedopuszczalnych ram czasowych. Dlatego budowanie siatki to cała sztuka, która wiąże się z doświadczeniem.
  • Ustalenie warunków brzegowych i początkowych zgodnie z sformułowaniem problemu. Wymagane jest zrozumienie specyfiki zadań wentylacyjnych. Ważną rolę w przygotowaniu kalkulacji odgrywa właściwy wybór modele turbulencji.
  • Dobór odpowiedniego modelu fizycznego i modelu turbulencji.

Wyniki symulacji

Aby rozwiązać problem rozważany w tym artykule, przeszły wszystkie etapy modelowania matematycznego.

Do porównania wydajności wentylacji wybrano trzy opcje nawiewu: pod kątem do pionu 45°, 60° i 90°. Powietrze dostarczane było ze standardowych kratek rozprowadzających powietrze.

Pola temperatury i prędkości obliczone przy różnych kątach podawania powietrze nawiewane pokazano na ryc. jeden.

Po przeanalizowaniu wyników jako najbardziej udaną z rozważanych opcji wentylacji warsztatowej wybrano kąt nawiewu równy 90°. Dzięki tej metodzie podawania w obszarze roboczym nie powstają zwiększone prędkości i możliwe jest uzyskanie dość jednolitego obrazu temperatury i prędkości w całej objętości warsztatu.

Ostateczna decyzja

Pola temperatury i prędkości w trzech przekrojach przechodzących przez kratki zasilające pokazano na rys. 2 i 3. Rozkład temperatury w całym pomieszczeniu jest równomierny. Tylko w obszarze, w którym koncentrują się piece, jest więcej wysokie wartości temperatura pod sufitem. W prawym rogu pomieszczenia, najdalej od pieców, znajduje się zimniejszy obszar. Tu wjeżdżają zimne wagony z ulicy.

Figa. 3 wyraźnie widać, jak rozchodzą się poziome strumienie nawiewanego powietrza. Przy tym sposobie zasilania strumień zasilający ma wystarczająco duży zasięg. Czyli w odległości 30 m od kraty prędkość przepływu wynosi 0,5 m/s (na wyjściu z kraty prędkość wynosi 5,5 m/s). W pozostałej części pomieszczenia ruchliwość powietrza jest niewielka, na poziomie 0,3 m/s.

Ogrzane powietrze z pieca hartowniczego odchyla strumień powietrza nawiewanego do góry (rys. 4 i 5). Piec bardzo mocno nagrzewa otaczające go powietrze. Temperatura na podłodze jest tu wyższa niż na środku pomieszczenia.

Pole temperatury i linie prądu w dwóch sekcjach gorącej hali pokazano na ryc. 6.

wnioski

Obliczenia umożliwiły analizę skuteczności różne sposoby doprowadzenie powietrza do warsztatu rurowego. Stwierdzono, że przy zasilaniu poziomym strumieniem nawiewane powietrze rozprzestrzenia się dalej w głąb pomieszczenia, przyczyniając się do jego bardziej równomiernego ogrzewania. Nie tworzy to obszarów o zbyt dużej ruchliwości powietrza w obszarze roboczym, jak to ma miejsce, gdy powietrze nawiewane jest dostarczane pod kątem w dół.

Zastosowanie metod modelowania matematycznego w problematyce wentylacji i klimatyzacji jest bardzo obiecującym kierunkiem, pozwalającym na etapie projektu korygować rozwiązanie, aby zapobiec konieczności korygowania nieudanych rozwiązań projektowych po oddaniu obiektów do eksploatacji. ●

Daria Denisichina - Kierownik działu " Modelowanie matematyczne»;
Maria Łukanina - Inżynier Wiodący Katedry „Modelowania Matematycznego”;
Michaił Samoletow - Dyrektor wykonawczy LLC „MM-Technologies”




Glebov R.S., doktorant Tumanov MP, kandydat nauk technicznych, profesor nadzwyczajny

Antyushin SS, doktorant (Moskwa państwowy instytut Elektronika i Matematyka (Politechnika)

PRAKTYCZNE ASPEKTY IDENTYFIKACJI MODELU MATEMATYCZNEGO

CENTRALA WENTYLACYJNA

W związku z pojawieniem się nowych wymagań dla systemów wentylacyjnych eksperymentalne metody strojenia zamkniętych pętli sterowania nie mogą w pełni rozwiązać problemów automatyzacji procesu technologicznego. Eksperymentalne metody strojenia posiadają nieodłączne kryteria optymalizacji (kryteria jakości sterowania), co ogranicza zakres ich stosowania. Synteza parametryczna systemu sterowania uwzględniającego wszystkie wymagania zakres zadań, wymaga model matematyczny obiekt. Artykuł zawiera analizę struktur modeli matematycznych jednostka wentylacyjna, rozważany jest sposób identyfikacji centrali wentylacyjnej, oceniana jest możliwość wykorzystania uzyskanych modeli do praktycznego zastosowania.

Słowa kluczowe: identyfikacja, model matematyczny, centrala wentylacyjna, badania eksperymentalne model matematyczny, kryteria jakości modelu matematycznego.

PRAKTYCZNE ASPEKTY IDENTYFIKACJI MODELU MATEMATYCZNEGO

INSTALACJI WENTYLACJI

W związku z pojawieniem się nowych wymagań dla systemów wentylacyjnych, eksperymentalne metody regulacji zamkniętych konturów zarządzania nie mogą w pełni rozwiązać problemu automatyzacji procesu technologicznego. Eksperymentalne metody regulacji mają postawione kryteria optymalizacji (kryterium jakości zarządzania) ograniczającą obszar ich zastosowania. Synteza parametryczna układu sterowania, projekt techniczny uwzględniający wszystkie wymagania, wymaga matematycznego modelu obiektu. Rozważa się identyfikację instalacji wentylacyjnej, szacuje się możliwość zastosowania otrzymanych modeli do praktycznego zastosowania.

Słowa kluczowe: identyfikacja, model matematyczny, instalacja wentylacyjna, badania eksperymentalne modelu matematycznego, kryteria jakości modelu matematycznego.

Wstęp

Sterowanie systemami wentylacji jest jednym z głównych zadań automatyki systemów budowlanych. Wymagania stawiane układom sterowania centralami wentylacyjnymi formułowane są w postaci kryteriów jakości w dziedzinie czasu.

Główne kryteria jakości:

1. Czas przejściowy (tnn) - czas przejścia centrali w tryb pracy.

2. Błąd stanu ustalonego (eust) – maksymalne dopuszczalne odchylenie temperatury powietrza nawiewanego od zadanej.

Pośrednie kryteria jakości:

3. Przeregulowanie (Ah) - przekroczenie mocy przy sterowaniu centralą wentylacyjną.

4. Stopień oscylacji (y) - nadmierne zużycie urządzeń wentylacyjnych.

5. Stopień tłumienia (y) - charakteryzuje jakość i szybkość ustalenia wymaganego reżimu temperaturowego.

Głównym zadaniem automatyki systemu wentylacji jest synteza parametryczna sterownika. Synteza parametryczna polega na wyznaczeniu współczynników regulatora zapewniających kryteria jakościowe dla systemu wentylacyjnego.

Do syntezy regulatora centrali wentylacyjnej wybiera się dogodne do praktycznego zastosowania metody inżynierskie, które nie wymagają badania modelu matematycznego obiektu: metoda Ncho18-21gier (W), metoda Chien -Hrope8-Re8, wsk (SNK). DO nowoczesne systemy automatyzacja wentylacji, wysokie wymagania stawiane są wskaźnikom jakości, zawężone są dopuszczalne warunki brzegowe wskaźników, pojawiają się wielokryterialne problemy sterowania. Inżynierskie metody strojenia regulatorów nie pozwalają na zmianę tkwiących w nich kryteriów jakości regulacji. Na przykład przy zastosowaniu metody N2 do regulacji regulatora kryterium jakości jest dekrement tłumienia równy cztery, a przy zastosowaniu metody SAE kryterium jakości jest maksymalna szybkość narastania przy braku przeregulowania. Zastosowanie tych metod w rozwiązywaniu problemów sterowania wielokryterialnego wymaga dodatkowej ręcznej korekty współczynników. Czas i jakość strojenia pętli sterowania w tym przypadku zależy od doświadczenia inżyniera serwisu.

Podanie nowoczesne środki modelowanie matematyczne do syntezy układu sterowania centralą wentylacyjną znacznie poprawia jakość procesów sterowania, skraca czas konfiguracji układu, a także umożliwia syntezę algorytmicznych środków wykrywania i zapobiegania wypadkom. Do symulacji układu sterowania konieczne jest stworzenie odpowiedniego modelu matematycznego centrali wentylacyjnej (obiektu sterowania).

Praktyczne wykorzystanie modeli matematycznych bez oceny adekwatności rodzi szereg problemów:

1. Ustawienia regulatora uzyskane w wyniku modelowania matematycznego nie gwarantują w praktyce zgodności wskaźników jakości.

2. Zastosowanie w praktyce regulatorów z wbudowanym modelem matematycznym (sterowanie wymuszone, ekstrapolator Smitha itp.) może spowodować pogorszenie wskaźników jakości. Jeśli stała czasowa nie pasuje lub wzmocnienie jest zbyt niskie, czas przejścia centrali wentylacyjnej w tryb pracy wydłuża się, gdy wzmocnienie jest przeszacowane, występuje nadmierne zużycie urządzeń wentylacyjnych itp.

3. Praktyczne zastosowanie regulatorów adaptacyjnych z estymacją według modelu odniesienia spowoduje również pogorszenie wskaźników jakości, podobnie jak w powyższym przykładzie.

4. Ustawienia regulatora uzyskane metodami optymalnego sterowania nie gwarantują w praktyce zgodności wskaźników jakości.

Celem pracy jest określenie struktury modelu matematycznego centrali wentylacyjnej (wzdłuż pętli regulacji reżim temperaturowy) i ocena jego adekwatności do rzeczywistych fizycznych procesów ogrzewania powietrza w instalacjach wentylacyjnych.

Doświadczenia w projektowaniu układów sterowania pokazują, że nie da się uzyskać modelu matematycznego adekwatnego do rzeczywistego układu tylko na podstawie teoretycznych badań procesów fizycznych układu. Dlatego w procesie syntezy modelu centrali wentylacyjnej, równolegle z badaniami teoretycznymi, przeprowadzono eksperymenty mające na celu określenie i dopracowanie modelu matematycznego systemu – jego identyfikację.

Proces technologiczny instalacji wentylacyjnej, organizacja eksperymentu

i identyfikacja strukturalna

Przedmiotem sterowania systemem wentylacji jest klimatyzator centralny, w którym strumień powietrza jest przetwarzany i dostarczany do wentylowanych pomieszczeń. Zadaniem lokalnego systemu sterowania wentylacją jest automatyczne utrzymywanie temperatury powietrza nawiewanego w kanale. Aktualną wartość temperatury powietrza ocenia czujnik zainstalowany w kanale nawiewnym lub w pomieszczeniu obsługi. Temperatura powietrza nawiewanego jest kontrolowana przez nagrzewnicę elektryczną lub wodną. Przy zastosowaniu podgrzewacza wody siłownik jest zaworem trójdrogowym, przy zastosowaniu nagrzewnicy elektrycznej - regulatorem mocy impulsu lub tyrystorowym.

Standardowym algorytmem regulacji temperatury powietrza nawiewanego jest system automatycznej regulacji w pętli zamkniętej (ACS), z regulatorem PID jako urządzeniem sterującym. Pokazano strukturę zautomatyzowanego układu regulacji temperatury powietrza nawiewanego poprzez wentylację (rys. 1).

Ryż. 1. Schemat blokowy zautomatyzowanego systemu sterowania centralą wentylacyjną (kanał sterowania temperaturą powietrza nawiewanego). Wreg - PF regulatora, Zhio - PF korpusu wykonawczego, Wcal - PF nagrzewnicy, Wvv - funkcja przenoszenia kanału powietrznego. u1 - wartość zadana temperatury, XI - temperatura w kanale, XI - odczyty czujnika, E1 - błąd regulacji, U1 - działanie regulatora, U2 - przetwarzanie sygnału regulatora przez siłownik, U3 - ciepło przekazywane przez nagrzewnicę do kanał.

Synteza matematycznego modelu systemu wentylacyjnego zakłada, że ​​znana jest struktura każdej transmitancji zawartej w jej składzie. Zastosowanie modelu matematycznego zawierającego transmitancje poszczególnych elementów układu jest zadaniem trudnym i nie gwarantuje w praktyce superpozycji poszczególnych elementów z układem oryginalnym. Aby zidentyfikować model matematyczny, strukturę systemu sterowania wentylacją można wygodnie podzielić na dwie części: a priori znaną (sterownik) i nieznaną (obiekt). Funkcja przenoszenia obiektu ^ o) obejmuje: funkcję przenoszenia korpusu wykonawczego ^ uo), funkcję przenoszenia nagrzewnicy ^ cal), funkcję przenoszenia kanału powietrznego ^ vv), funkcję przenoszenia czujnika ^ Daktyle). Zadanie identyfikacji centrali wentylacyjnej przy sterowaniu temperaturą strumienia powietrza sprowadza się do określenia zależności funkcjonalnej pomiędzy sygnałem sterującym do siłownika nagrzewnicy U1 a temperaturą strumienia powietrza XI.

W celu określenia struktury modelu matematycznego centrali wentylacyjnej konieczne jest przeprowadzenie eksperymentu identyfikacyjnego. Uzyskanie pożądanych cech jest możliwe poprzez pasywny i aktywny eksperyment. Metoda eksperymentu pasywnego polega na rejestracji kontrolowanych parametrów procesu w normalnej pracy obiektu bez wprowadzania do niego jakichkolwiek umyślnych zakłóceń. W fazie konfiguracji system wentylacyjny nie pracuje normalnie, więc metoda eksperymentu pasywnego nie nadaje się do naszych celów. Metoda aktywnego eksperymentu polega na wykorzystaniu pewnych sztucznych zakłóceń wprowadzanych do obiektu zgodnie z wcześniej zaplanowanym programem.

Istnieją trzy podstawowe metody identyfikacji obiektów aktywnych: metoda charakterystyk przejściowych (reakcja obiektu na „krok”), metoda zakłócania obiektu sygnałami o postaci okresowej (reakcja obiektu na zakłócenia harmoniczne różne częstotliwości) oraz sposób reakcji obiektu na impuls delta. Ze względu na dużą bezwładność systemów wentylacyjnych (TOB wynosi od kilkudziesięciu sekund do kilku minut) identyfikacja za pomocą sygnałów

W celu dalszej lektury artykułu należy zakupić pełny tekst. Artykuły wysyłane są w formacie PDF na maila wskazanego przy płatności. Czas dostawy to mniej niż 10 minut... Koszt jednego artykułu - 150 rubli.

Podobne prace naukowe na temat „Ogólne i złożone problemy nauk przyrodniczych i ścisłych”

  • ADAPTACYJNE STEROWANIE JEDNOSTKĄ POWIETRZA Z DYNAMICZNYM PRZEPŁYWEM POWIETRZA NAWIEWNEGO

    R.S. GLEBOVM.P. TUMANOV - 2012

  • Problem zarządzania i modelowania sytuacji awaryjnych w kopalniach ropy naftowej

    M. Yu Liskova i I. S. Naumov - 2013

  • O ZASTOSOWANIU TEORII STEROWANIA PARAMETRYCZNEGO W PRZELICZALNYCH MODELACH RÓWNOWAGI OGÓLNEJ

    ADILOV ZHEKSENBEK MAKEEVICH, ASHIMOV ABDYKAPPAR ASHIMOVICH, ASHIMOV ASKAR ABDYKAPPAROVICH, BOROWSKY NIKOLAY YURIEVICH, BOROWSKY JURI VYACHESLAVOVICH, SUŁTANOW BAKHYTWI TURCJA - 2010

  • MODELOWANIE DACHU BIOKLIMATYCZNEGO Z WYKORZYSTANIEM NATURALNEJ WENTYLACJI

    OUEDRAOGO A., OUEDRAOGO I., PALM K., ZEGHMATI B. - 2008

mob_info