Dezvoltarea unui sistem de control automat pentru ventilația de alimentare și evacuare. Probleme moderne ale științei și educației Modelul matematic al sistemelor de ventilație

Glebov R.S., student postuniversitar Tumanov M.P., candidat la științe tehnice, conferențiar

Antyushin S.S., student postuniversitar (Moscova institut de stat Electronică și Matematică (Universitatea Tehnică)

ASPECTE PRACTICE DE IDENTIFICARE A MODELULUI MATEMATIC

UNITATE DE VENTILARE

Datorită apariției noilor cerințe pentru sistemele de ventilație, metodele experimentale de reglare a buclelor de control închise nu pot rezolva pe deplin problemele de automatizare. proces tehnologic... Metodele experimentale de reglare au criterii de optimizare inerente (criterii de calitate a controlului), ceea ce limitează domeniul de aplicare a acestora. Sinteza parametrică a unui sistem de control care ține cont de toate cerințele termeni de referinta, necesită un model matematic al obiectului. Articolul oferă o analiză a structurilor modelelor matematice unitate de ventilație, se are în vedere metoda de identificare a unității de ventilație, se evaluează posibilitatea utilizării modelelor obținute pentru aplicare practică.

Cuvinte cheie: identificare, model matematic, unitate de ventilație, studiu experimental al modelului matematic, criterii de calitate pentru modelul matematic.

ASPECTE PRACTICE DE IDENTIFICARE A MODELULUI MATEMATIC

DE INSTALARE DE VENTILARE

În legătură cu apariția unor noi cerințe de ventilație a sistemelor, metodele experimentale de ajustare a contururilor închise ale managementului „nu pot rezolva pe deplin o problemă de automatizare a procesului tehnologic. Metodele experimentale de ajustare au puse criterii de optimizare (criteriul calității). de management) care limitează aria de aplicare a acestora. Sinteza parametrică a sistemului de control, proiectul tehnic luând în considerare toate cerințele, necesită modelul matematic al obiectului. În articol care urmează să rezulte analiza structurilor modelelor matematice ale instalației de ventilație, metoda se are în vedere identificarea instalației de ventilație, se estimează posibilitatea de aplicare a modelelor primite pentru aplicare în practică.

Cuvinte cheie: identificare, model matematic, instalație de ventilație, cercetare experimentală a modelului matematic, criterii de calitate a modelului matematic.

Introducere

Controlul sistemelor de ventilație este una dintre sarcinile principale ale automatizării sisteme de inginerie clădire. Cerințele pentru sistemele de control ale unităților de ventilație sunt formulate sub formă de criterii de calitate în domeniul timpului.

Principalele criterii de calitate:

1. Timp tranzitoriu (tnn) - timpul pentru ca unitatea de tratare a aerului să ajungă în modul de funcționare.

2. Eroare la starea de echilibru (eust) - abaterea maximă admisă a temperaturii aerului de alimentare de la cea setată.

Criterii indirecte de calitate:

3. Depășire (Ah) - depășire de putere la controlul unității de tratare a aerului.

4. Gradul de oscilație (y) - uzura excesivă a echipamentelor de ventilație.

5. Gradul de atenuare (y) - caracterizează calitatea și viteza de stabilire a regimului de temperatură necesar.

Sarcina principală a automatizării sistemului de ventilație este sinteza parametrică a controlerului. Sinteza parametrica consta in determinarea coeficientilor regulatorului pentru a asigura criteriile de calitate pentru sistemul de ventilatie.

Pentru sinteza regulatorului unității de ventilație, se aleg metode de inginerie care sunt convenabile pentru aplicarea în practică, care nu necesită studiul modelului matematic al obiectului: metoda Ncbo18-21gier (W), metoda de Chien-Hrope8-Re8, wsk (SNK). LA sisteme moderne automatizarea ventilației, se impun cerințe ridicate indicatorilor de calitate, condițiile limită permise ale indicatorilor sunt restrânse, apar probleme de control cu mai multe criterii. Metodele de inginerie de reglare a regulatorului nu permit modificarea criteriilor de calitate a controlului inerente acestora. De exemplu, atunci când se utilizează metoda N2 pentru reglarea regulatorului, criteriul de calitate este o scădere de amortizare egală cu patru, iar când se utilizează metoda SAE, criteriul de calitate este rata maximă de rotire în absența depășirii. Utilizarea acestor metode în rezolvarea problemelor de control multicriteriale necesită o ajustare manuală suplimentară a coeficienților. Timpul și calitatea reglarii buclelor de control, în acest caz, depind de experiența inginerului de service.

Aplicație mijloace moderne modelare matematică pentru sinteza sistemului de control al unității de ventilație, îmbunătățește semnificativ calitatea proceselor de control, reduce timpul de instalare a sistemului și, de asemenea, permite sintetizarea mijloacelor algoritmice pentru detectarea și prevenirea accidentelor. Pentru a simula sistemul de control, este necesar să se creeze un model matematic adecvat al unității de ventilație (obiect de control).

Utilizarea practică a modelelor matematice fără evaluarea adecvării ridică o serie de probleme:

1. Setarile regulatorului obtinute in cursul modelarii matematice nu garanteaza conformitatea indicatorilor de calitate in practica.

2. Aplicarea în practică a regulatoarelor cu model matematic încorporat (control forțat, extrapolator Smith etc.) poate determina deteriorarea indicatorilor de calitate. Dacă constanta de timp nu se potrivește sau câștigul este prea mic, timpul pentru ca unitatea de tratare a aerului să ajungă în modul de funcționare crește, când câștigul este supraestimat, apare uzura excesivă a echipamentului de ventilație etc.

3. Aplicarea practică a controlerelor adaptive cu o estimare conform modelului de referință va determina și deteriorarea indicatorilor de calitate, similar cu exemplul de mai sus.

4. Setarile regulatorului obtinute prin metodele de control optim nu garanteaza conformitatea indicatorilor de calitate in practica.

Scopul acestui studiu este de a determina structura modelului matematic al unității de ventilație (de-a lungul buclei de control regim de temperatură) și evaluarea adecvării acestuia la procesele fizice reale de încălzire a aerului în sistemele de ventilație.

Experiența în proiectarea sistemelor de control arată că este imposibil să se obțină un model matematic adecvat unui sistem real doar pe baza unor studii teoretice ale proceselor fizice ale sistemului. Prin urmare, în procesul de sintetizare a modelului unității de ventilație, concomitent cu studiile teoretice, au fost efectuate experimente pentru a determina și a perfecționa modelul matematic al sistemului - identificarea acestuia.

Procesul tehnologic al sistemului de ventilație, organizarea experimentului

și identificarea structurală

Obiectul de control al sistemului de ventilație este aparatul de aer condiționat central, în care fluxul de aer este procesat și alimentat în incinta ventilată. Sarcina sistemului local de control al ventilației este de a menține automat temperatura alimentare cu aerîn canal. Valoarea actuală a temperaturii aerului este evaluată de un senzor instalat în conducta de alimentare sau în camera cu echipaj. Temperatura aerului de alimentare este controlată de un încălzitor electric sau de apă. Când utilizați un încălzitor de apă, actuatorul este o supapă cu trei căi; atunci când utilizați un încălzitor electric, este un regulator de putere cu lățime de impuls sau tiristor.

Algoritmul standard de control pentru temperatura aerului de alimentare este un sistem de control automat în buclă închisă (ACS), cu un controler PID ca dispozitiv de control. Este prezentată structura sistemului automat de control al temperaturii aerului de alimentare prin ventilație (Fig. 1).

Orez. 1. Schema bloc a sistemului de control automat al unității de ventilație (canal de control al temperaturii aerului de alimentare). Wreg - PF al regulatorului, Zhio - PF al organului executiv, Wcal - PF al încălzitorului, Wvv - funcția de transfer a conductei. u1 - valoarea de referință de temperatură, XI - temperatura în conductă, XI - citirile senzorului, E1 - eroare de control, U1 - acțiunea de control a regulatorului, U2 - procesarea semnalului regulatorului de către actuator, U3 - căldura transferată de încălzitor către conductă.

Sinteza unui model matematic al sistemului de ventilație presupune că structura fiecărei funcții de transfer inclusă în compoziția sa este cunoscută. Utilizarea unui model matematic care conține funcțiile de transfer ale elementelor individuale ale sistemului este o sarcină dificilă și nu garantează în practică suprapunerea elementelor individuale cu sistemul original. Pentru a identifica modelul matematic, structura sistemului de control al ventilației poate fi împărțită convenabil în două părți: cunoscut a priori (controler) și necunoscut (obiect). Funcția de transfer a obiectului ^ despre) include: funcția de transfer a corpului executiv ^ uo), funcția de transfer a încălzitorului ^ cal), funcția de transfer a conductei de aer ^ cv), funcția de transfer a senzorului ^ datele). Sarcina de identificare a unității de ventilație la controlul temperaturii fluxului de aer se reduce la determinarea relației funcționale dintre semnalul de control către actuatorul încălzitorului U1 și temperatura fluxului de aer XI.

Pentru a determina structura modelului matematic al unității de ventilație, este necesar să se efectueze un experiment de identificare. Obținerea caracteristicilor dorite este posibilă printr-un experiment pasiv și activ. Metoda experimentului pasiv se bazează pe înregistrarea parametrilor controlați ai procesului în funcționarea normală a obiectului fără a introduce perturbări deliberate în acesta. În timpul fazei de configurare, sistemul de ventilație nu este în funcționare normală, așa că metoda experimentului pasiv nu este potrivită pentru scopurile noastre. Metoda experimentului activ se bazează pe utilizarea anumitor perturbări artificiale introduse în obiect conform unui program preplanificat.

Există trei metode fundamentale de identificare a obiectelor active: metoda caracteristicilor tranzitorii (reacția obiectului la un „pas”), metoda de perturbare a obiectului cu semnale periodice (reacția obiectului la perturbații armonice cu frecvențe diferite) și metoda de reacție a obiectului la pulsul delta. Datorită inerției mari a sistemelor de ventilație (TOB este de la zeci de secunde la câteva minute), identificarea prin semnale de peri

Pentru a citi în continuare articolul, trebuie să achiziționați textul integral. Articolele sunt trimise în format PDF la corespondenta indicata la plata. Timpul de livrare este mai puțin de 10 minute... Costul unui articol - 150 de ruble.

Lucrări științifice similare pe tema „Probleme generale și complexe ale științelor naturale și exacte”

CONTROL ADAPTIV AL UNITĂȚII DE AER CU DEBUT DINAMIC DE AER DE FURNIZARE
R.S.GLEBOVM.P.TUMANOV - 2012
Problema managementului și modelării situațiilor de urgență în minele de petrol
M. Yu. Liskova, I. S. Naumov - 2013
PRIVIND APLICAREA TEORIEI CONTROLULUI PARAMETRIC PENTRU MODELE COMPUTABILE DE ECHILIBRI GENERAL
ADILOV ZHEKSENBEK MAKEEVICH, ASHIMOV ABDYKAPPAR ASHIMOVICH, ASHIMOV ASKAR ABDYKAPPAROVICH, BOROVSKY NIKOLAY YURIEVICH, BOROVSKY YURI VYACHESLAVOVICH, SULTANOV BAKHYTVI TURCHLY - 2010
MODELAREA UNUI ACOPERIș BIOCLIMATIC CU VENTILAȚIA NATURALĂ
OUEDRAOGO A., OUEDRAOGO I., PALM K., ZEGHMATI B. - 2008

Lucrarea are în vedere procesele de modelare a ventilației și dispersarea emisiilor sale în atmosferă. Modelarea se bazează pe rezolvarea sistemului de ecuații Navier-Stokes, a legilor conservării masei, impulsului, căldurii. Sunt luate în considerare diferite aspecte ale soluției numerice a acestor ecuații. Se propune un sistem de ecuații pentru a calcula valoarea coeficientului de turbulență de fond. Pentru aproximarea hipersonică se propune o soluție, împreună cu ecuațiile de dinamică a fluidelor prezentate în articol, a ecuației de poziție a unui gaz și vapori reali ideali. Această ecuație este o modificare a ecuației van der Waals și ia mai exact în considerare dimensiunea moleculelor de gaz sau vapori și interacțiunea lor. Pe baza condiției de stabilitate termodinamică, se obține o relație care permite excluderea rădăcinilor irealizabile fizic atunci când se rezolvă ecuația în raport cu volumul. Se efectuează analiza modelelor de calcul cunoscute și a pachetelor computaționale de dinamică a fluidelor.

modelare

ventilare

turbulenţă

ecuațiile de transfer de căldură și masă

ecuația de stare

gaz real

disipare

1. Berlyand M. Ye. Probleme contemporane difuzia atmosferica si poluarea aerului. - L .: Gidrometeoizdat, 1975 .-- 448 p.

2. Belyaev NN Modelarea procesului de dispersie a gazelor toxice în condiții de construcție // Buletinul DIIT. - 2009. - Nr. 26 - S. 83-85.

3. Byzova N. L. Cercetare experimentală difuzia atmosferică și calculele împrăștierii impurităților / N. L. Byzova, E. K. Garger, V. N. Ivanov. - L .: Gidrometeoizdat, 1985 .-- 351 p.

4. Datsyuk TA Modelarea dispersiei emisiilor de ventilație. - SPb: SPBGASU, 2000 .-- 210 p.

5. Sauts AV Aplicarea algoritmilor de grafică cognitivă și a metodelor de analiză matematică pentru studiul proprietăților termodinamice ale izobutanului R660A pe linia de saturație: Grant Nr. 2C/10: raport de cercetare (concluzie) / GOUVPO SPBGASU; mâinile. Gorokhov V.L., isp .: Sauts A.V.- SPb, 2011.- 30 p .: ill .- Bibliografie: p. 30.- Nr.GR 01201067977.-Inv. nr 02201158567.

Introducere

La proiectarea complexelor industriale și a instalațiilor unice, aspectele legate de asigurarea calității mediului aerian și a parametrilor standardizați ai microclimatului trebuie fundamentate cuprinzător. Având în vedere costul ridicat al producției, instalării și exploatării sistemelor de ventilație și aer condiționat, se impun cerințe sporite asupra calității calculelor inginerești. Pentru a selecta soluții de proiectare raționale în domeniul ventilației, este necesar să se poată analiza situația în ansamblu, adică. să dezvăluie relația spațială a proceselor dinamice care au loc în interiorul incintelor și în atmosferă. Evaluați eficiența ventilației, care depinde nu numai de cantitatea de aer furnizată încăperii, ci și de schema de distribuție a aerului și concentrația adoptată. Substanțe dăunătoareîn aerul exterior la locațiile prizelor de aer.

Scopul articolului- utilizarea dependențelor analitice, cu ajutorul cărora se efectuează calcule ale cantității de emisii nocive, pentru a determina dimensiunile canalelor, conductelor de aer, minelor și alegerea unei metode de tratare a aerului etc. În acest caz, este recomandabil să utilizați produsul software Potok cu modulul VSV. Pentru a pregăti datele inițiale, este necesar să existe diagrame ale sistemelor de ventilație proiectate care să indice lungimile secțiunilor și debitele de aer la secțiunile de capăt. Datele de intrare pentru calcul sunt descrierea sistemelor de ventilație și cerințele pentru acestea. Utilizând modelarea matematică, sunt rezolvate următoarele probleme:

selectarea celor mai bune opțiuni pentru alimentarea și eliminarea aerului;
distribuția parametrilor de microclimat în funcție de volumul spațiilor;
evaluarea regimului aerodinamic al clădirii;
selecția locurilor pentru admisia și evacuarea aerului.

Câmpurile de viteză, presiune, temperatură, concentrații într-o cameră și atmosferă se formează sub influența multor factori, a căror combinație este greu de luat în considerare în metodele de calcul ingineresc fără utilizarea unui computer.

Utilizarea modelării matematice în probleme de ventilație și aerodinamică se bazează pe soluția sistemului de ecuații Navier - Stokes.

Pentru a simula curgerile turbulente, este necesar să se rezolve sistemul de ecuații de conservare a masei și Reynolds (conservarea impulsului):

(2)

Unde t- timp, X= X i , j , k- coordonate spațiale, u=tu i , j , k - componente ale vectorului viteză, R- presiune piezometrică, ρ - densitate, τ ij- componente tensoare a tensiunilor, s m- o sursă de masă, s i- componente ale sursei de puls.

Tensorul tensiunii este exprimat astfel:

(3)

Unde s ij- tensorul ratelor de deformare; δ ij- tensor al tensiunilor suplimentare apărute ca urmare a prezenței turbulenței.

Pentru informații despre câmpurile de temperatură T si concentrare cu substanțe nocive, sistemul este completat de următoarele ecuații:

ecuația de conservare a căldurii

ecuația de conservare a impurităților pasive cu

(5)

Unde CR- coeficient de capacitate termică, λ - coeficient de conductivitate termică, k= k i , j , k este coeficientul de turbulență.

Coeficientul de turbulență de bază k bazele se determină folosind un sistem de ecuații:

(6)

Unde k f - coeficientul de turbulență de fond, k f = 1-15 m2/s; ε = 0,1-04;

Coeficienții de turbulență sunt determinați folosind ecuațiile:

(7)

Într-o zonă deschisă cu disipare scăzută, valoarea k z este determinat de ecuația:

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

Unde k 0 - valoare k k la inaltime z 0 (k 0 = 0,1 m 2 / s la z 0 = 2 m).

În zona deschisă, profilul vitezei vântului nu este deformat;

Cu o stratificare atmosferică necunoscută într-o zonă deschisă, profilul vitezei vântului poate fi determinat:

; (9)

unde z 0 este o înălțime dată (înălțimea unei giruete); u 0 - viteza vântului la altitudine z 0 ; B = 0,15.

Sub rezerva condiției (10), criteriul local Richardson Ri definit ca:

(11)

Să diferențiem ecuația (9), echivalăm ecuațiile (7) și (8), de acolo exprimăm k bazele

(12)

Să echivalăm ecuația (12) cu ecuațiile sistemului (6). Inlocuim (11) si (9) in egalitatea obtinuta, in forma finala obtinem sistemul de ecuatii:

(13)

Termenul pulsator, urmând ideile lui Boussinesq, este reprezentat ca:

(14)

unde μ t- vâscozitatea turbulentă și termenii suplimentari din ecuațiile de transfer de energie și componentele de impurități sunt modelați după cum urmează:

(15)

(16)

Sistemul de ecuații este închis folosind unul dintre modelele de turbulență descrise mai jos.

Pentru fluxurile turbulente studiate în practica ventilației, este recomandabil să se folosească fie ipoteza lui Boussinesq despre micimea modificărilor de densitate, fie așa-numita aproximare „hipersonică”. Tensiunile Reynolds sunt presupuse a fi proporționale cu ratele de deformare medii în timp. Se introduce coeficientul de vâscozitate turbulentă, acest concept este exprimat astfel:

. (17)

Coeficientul de vâscozitate efectivă se calculează ca suma coeficienților moleculari și turbulenți:

(18)

Aproximația „hipersonică” presupune soluția, împreună cu ecuațiile de mai sus, a ecuației staționării unui gaz ideal:

ρ = p/(RT) (19)

Unde p - presiune înăuntru mediu inconjurator; R- constanta de gaz.

Pentru calcule mai precise, densitatea impurităților poate fi determinată folosind ecuația van der Waals modificată pentru gaze și vapori reali.

(20)

unde constante Nși M- ţine cont de asocierea/disociarea moleculelor de gaz sau vapori; A- tine cont de alte interactiuni; b" - luarea în considerare a mărimii moleculelor de gaz; υ = 1 / ρ.

Separând din ecuația (12) presiunea Rși diferențiind-o după volum (ținând cont de stabilitatea termodinamică), se va obține următoarea relație:

. (21)

Această abordare face posibilă reducerea semnificativă a timpului de calcul în comparație cu cazul utilizării ecuațiilor complete pentru un gaz compresibil fără a reduce acuratețea rezultatelor obținute. Nu există o soluție analitică pentru ecuațiile de mai sus. În acest sens, se folosesc metode numerice.

Pentru a rezolva problemele de ventilație asociate cu transferul de substanțe scalare printr-un flux turbulent, la rezolvarea ecuațiilor diferențiale se folosește o schemă de împărțire a proceselor fizice. Conform principiilor divizării, integrarea cu diferențe finite a ecuațiilor hidrodinamicii și transferul convectiv-difuz al substanței scalare la fiecare pas de timp Δ t se realizează în două etape. În prima etapă se calculează parametrii hidrodinamici. În a doua etapă, ecuațiile de difuzie sunt rezolvate pe baza câmpurilor hidrodinamice calculate.

Influența transferului de căldură asupra formării câmpului de viteză a aerului este luată în considerare folosind aproximarea Boussinesq: în ecuația de mișcare se introduce un termen suplimentar pentru componenta vitezei verticale, care ia în considerare forțele de flotabilitate.

Există patru abordări pentru rezolvarea problemelor de mișcare a fluidului turbulent:

modelare directă „DNS” (soluție a ecuațiilor Navier-Stokes non-staționare);
rezolvarea ecuațiilor Reynolds medii „RANS”, al căror sistem, totuși, nu este închis și necesită relații de închidere suplimentare;
metoda turbionar mare «LES » , care se bazează pe soluția ecuațiilor nestaționare Navier - Stokes cu parametrizarea vârtejurilor scalei subgrilei;
metoda "DES" , care este o combinație de două metode: în zona fluxurilor separate - „LES”, și în zona fluxului „neted” - „RANS”.

Cea mai atractivă din punct de vedere al acurateței rezultatelor obținute este, fără îndoială, metoda simulării numerice directe. Cu toate acestea, în prezent, capacitățile tehnologiei informatice nu permit încă rezolvarea problemelor cu geometrie și numere reale. Re, și cu rezoluția vârtejurilor de toate dimensiunile. Prin urmare, atunci când se rezolvă o gamă largă de probleme de inginerie, se folosesc soluții numerice ale ecuațiilor Reynolds.

În prezent, pachetele certificate precum „STAR-CD”, „FLUENT” sau „ANSYS/FLOTRAN” sunt folosite cu succes pentru a simula sarcinile de ventilație. Cu o problemă corect formulată și un algoritm de soluție rațională, cantitatea de informații obținute permite în faza de proiectare să se aleagă cea mai bună opțiune, dar efectuarea calculelor folosind aceste programe necesită o pregătire adecvată, iar utilizarea lor incorectă poate duce la rezultate eronate.

Ca „caz de bază”, se pot lua în considerare rezultatele metodelor de calcul a soldului general acceptate, care fac posibilă compararea valorilor integrale caracteristice problemei luate în considerare.

Unul dintre Puncte importante atunci când se utilizează sisteme software universale pentru rezolvarea problemelor de ventilație, alegerea unui model de turbulență este. Până acum se știe un numar mare de diverse modele de turbulență care sunt folosite pentru a închide ecuațiile lui Reynolds. Modelele de turbulență sunt clasificate în funcție de numărul de parametri pentru caracteristicile turbulenței, respectiv, cu un parametru, doi și trei parametri.

Majoritatea modelelor semiempirice de turbulență, într-un fel sau altul, folosesc „ipoteza localității mecanismului de transfer turbulent”, conform căreia mecanismul de transfer al impulsului turbulent este complet determinat prin specificarea derivatelor locale ale vitezelor medii și proprietăți fizice lichide. Această ipoteză nu ține cont de influența proceselor care au loc departe de punctul luat în considerare.

Cele mai simple sunt modelele cu un parametru care folosesc conceptul de vâscozitate turbulentă «n t», Și se presupune că turbulența este izotropă. O versiune modificată a „n t-92" este recomandat pentru modelarea jetului și a fluxurilor separate. Modelul cu un parametru „S-A” (Spalart - Almaras), care conține ecuația de transfer a cantității, oferă, de asemenea, un bun acord cu rezultatele experimentale.

Lipsa modelelor cu o singură ecuație de transport se datorează faptului că le lipsesc informații despre distribuția scării de turbulență. L... După sumă L sunt influențate procesele de transfer, metodele de formare a turbulențelor, disiparea energiei turbulente. Dependență universală de determinat L nu exista. Ecuația pentru scara turbulenței L adesea se dovedește a fi exact ecuația care determină acuratețea modelului și, în consecință, zona de aplicabilitate a acestuia. Practic, domeniul de aplicare al acestor modele este limitat la fluxuri de forfecare relativ simple.

În modelele cu doi parametri, cu excepția scării de turbulență L, rata de disipare a energiei turbulente este utilizată ca al doilea parametru . Astfel de modele sunt cel mai adesea utilizate în practica de calcul modernă și conțin ecuațiile transferului de energie de turbulență și disiparea energiei.

Un model binecunoscut include ecuații pentru transferul energiei de turbulență k și rata de disipare a energiei turbulente ε. Modele precum " k- e" poate fi folosit atât pentru curgeri de lângă perete, cât și pentru fluxuri separate mai complexe.

Modelele cu doi parametri sunt utilizate în versiunea Reynolds joasă și înaltă. În primul, se ia în considerare direct mecanismul de interacțiune al transportului molecular și turbulent în apropierea unei suprafețe solide. În versiunea High-Reynolds, mecanismul de transfer turbulent în apropierea unei granițe solide este descris de funcții speciale de lângă perete care leagă parametrii de curgere la distanța până la perete.

În prezent, cele mai promițătoare modele includ modelele SSG și Gibson-Launder, care utilizează o relație neliniară între tensorul de tensiuni turbulente Reynolds și tensorul ratelor medii de deformare. Acestea au fost concepute pentru a îmbunătăți prognoza curenților de separare. Deoarece toate componentele tensorilor sunt calculate în ele, ele necesită resurse de computer mari în comparație cu modelele cu doi parametri.

Pentru fluxurile separate complexe, unele avantaje au fost relevate prin utilizarea modelelor cu un parametru „n t-92 "," S-A "în acuratețea prezicerii parametrilor debitului și în rata de numărare în comparație cu modelele cu doi parametri.

De exemplu, programul „STAR-CD” prevede utilizarea unor modele precum „ k- e ”, Spalart - Almaras,“ SSG ”,“ Gibson-Launder ”, precum și metoda vârtejului mare „ LES ” și metoda „ DES ”. Ultimele două metode sunt mai potrivite pentru calcularea mișcării aerului în geometrii complexe, unde vor apărea numeroase regiuni de vortex separate, dar necesită resurse de calcul mari.

Rezultatele calculului depind semnificativ de alegerea grilei de calcul. În prezent, se folosesc programe speciale de plasare. Celulele de plasă pot fi de diferite forme și dimensiuni pentru a se potrivi cel mai bine aplicației dvs. specifice. Cel mai simplu tip de grilă este atunci când celulele sunt aceleași și au o formă cubică sau dreptunghiulară. Programele de calcul universale utilizate în prezent în practica ingineriei permit lucrul pe grile arbitrare nestructurate.

Pentru a efectua calcule pentru simularea numerică a problemelor de ventilație, este necesar să se stabilească condițiile de limită și inițiale, adică. valorile variabilelor dependente sau gradienții lor normali la limitele domeniului de calcul.

Specificarea cu un grad suficient de precizie a caracteristicilor geometrice ale obiectului studiat. În aceste scopuri, este posibil să se recomande pachete precum „SolidWorks”, „Pro/Engeneer”, „NX Nastran” pentru construirea de modele tridimensionale. La construirea unei grile de calcul, numărul de celule este selectat astfel încât să se obțină o soluție fiabilă cu un timp minim de calcul. Ar trebui ales unul dintre modelele de turbulență semi-empirice care este cel mai eficient pentru debitul luat în considerare.

V concluzie adăugăm că o bună înțelegere a aspectului calitativ al proceselor în desfășurare este necesară pentru a formula corect condițiile limită ale problemei și pentru a evalua fiabilitatea rezultatelor. Modelarea emisiilor de ventilație în faza de proiectare a instalațiilor poate fi considerată ca unul dintre aspectele modelării informaționale care vizează asigurarea siguranței de mediu a instalației.

Recenzători:

Volikov Anatoly Nikolaevich, doctor în științe tehnice, profesor al Departamentului de alimentare cu căldură și gaz și protecție a bazinelor de aer, FGBOU VPOI „SPBGASU”, Sankt Petersburg.
Polushkin Vitaly Ivanovich, doctor în științe tehnice, profesor, profesor al Departamentului de încălzire, ventilație și aer condiționat, FGBOU VPO „SPbGASU”, Sankt Petersburg.

Referință bibliografică

Datsyuk T.A., Sauts A.V., Yurmanov B.N., Taurit V.R. MODELAREA PROCESELOR DE VENTILARE // Probleme moderne de știință și educație. - 2012. - Nr. 5 .;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6744 (data accesării: 17/10/2019). Vă aducem în atenție revistele publicate de „Academia de Științe Naturale”

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Documente similare

Bazele funcționării sistemului control automat ventilație de alimentare și evacuare, construcția și descrierea matematică a acesteia. Echipamente de proces tehnologic. Selectarea și calculul regulatorului. Studiul stabilității ATS, indicatori ai calității acestuia.

lucrare de termen, adăugată 16.02.2011

caracteristici generaleși scopul, domeniul de aplicare practică a sistemului de control automat pentru ventilație de alimentare și evacuare. Automatizarea procesului de reglementare, principiile acestuia și etapele de implementare. Alegerea fondurilor și justificarea economică a acestora.

teză, adăugată 04.10.2011

Analiza schemelor tipice existente de automatizare a ventilației în magazinele de producție. Model matematic procesul de ventilație spatii industriale, selectarea și descrierea instrumentelor și comenzilor de automatizare. Calculul costului unui proiect de automatizare.

teză, adăugată 06.11.2012

Analiza comparativa caracteristici tehnice desene tipice turnuri de răcire. Elemente ale sistemelor de alimentare cu apă și clasificarea acestora. Modelul matematic al procesului de alimentare cu apă circulantă, selecția și descrierea echipamentelor de automatizare și a elementelor de control.

teză, adăugată 09.04.2013

Caracteristicile generale ale conductei de petrol. Caracteristicile climatice și geologice ale sitului. Dispunerea generală a stației de pompare. Stații de pompare a portbagajului și ferma de rezervoare PS-3 "Almetyevsk". Calculul sistemului de ventilație de alimentare și evacuare a atelierului de pompare.

teză, adăugată 17.04.2013

Analiza dezvoltării unui proiect de design pentru un baston decorativ. Heraldica ca disciplină specială care se ocupă cu studiul stemelor. Metode de realizare a sculelor pentru modele asemănătoare ceară. Etape de calcul al ventilației de alimentare și evacuare pentru compartimentul de topire.

teză, adăugată 26.01.2013

Descrierea instalației ca obiect de automatizare, opțiuni de îmbunătățire a procesului tehnologic. Calculul și selecția elementelor unui complex de mijloace tehnice. Calculul sistemului de control automat. Dezvoltare de aplicații software.

teză, adăugată 24.11.2014

Daria Denisikhina, Maria Lukanina, Mihail Samoletov

V lumea modernă nu se mai poate face fără modelarea matematică a fluxului de aer în proiectarea sistemelor de ventilație.

În lumea modernă, nu se mai poate face fără modelarea matematică a fluxului de aer în proiectarea sistemelor de ventilație. Tehnicile de inginerie convenționale sunt bine potrivite pentru spațiile tipice și solutii standard prin distribuția aerului. Când un designer se confruntă cu obiecte non-standard, metodele de modelare matematică ar trebui să-i vină în ajutor. Articolul este dedicat studiului distribuției aerului în sezonul rece în atelierul de producție de țevi. Acest atelier face parte dintr-un complex de fabrici situat într-un climat puternic continental.

În secolul al XIX-lea, ecuatii diferentiale pentru a descrie fluxul de lichide și gaze. Ele au fost formulate de fizicianul francez Louis Navier și de matematicianul britanic George Stokes. Ecuațiile Navier - Stokes sunt printre cele mai importante în hidrodinamică și sunt utilizate în modelarea matematică a multor fenomene naturale și probleme tehnice.

Pe anul trecut a acumulat în construcție o mare varietate de obiecte complexe din punct de vedere geometric și termodinamic. Utilizarea metodelor computaționale de dinamică a fluidelor mărește semnificativ posibilitățile de proiectare a sistemelor de ventilație, făcând posibilă prezicerea cu un grad ridicat de acuratețe a distribuțiilor vitezei, presiunii, temperaturii, concentrației componentelor în orice punct al unei clădiri sau în oricare dintre sediul acesteia. .

Utilizarea intensivă a metodelor computaționale de dinamică a fluidelor a început în anul 2000, când au apărut shell-uri software universale (pachete CFD), care au făcut posibilă găsirea de soluții numerice la sistemul de ecuații Navier - Stokes cu privire la un obiect de interes. Din acel moment, „BURO TEKHNIKI” s-a angajat în modelarea matematică în legătură cu problemele de ventilație și aer condiționat.

Descrierea sarcinii

În acest studiu, simulări numerice au fost efectuate folosind STAR-CCM +, un pachet CFD dezvoltat de CD-Adapco. Operabilitate acest pachet când rezolvarea problemelor de ventilație a fost
A fost testat în mod repetat la obiecte de complexitate diferită, de la birouri până la săli de teatru și stadioane.

Problema este de mare interes atât din punct de vedere al proiectării, cât și al modelării matematice.

Temperatura aerului exterior -31 ° C. Există obiecte cu aport semnificativ de căldură în încăpere: cuptor de călire, cuptor de călire etc. Astfel, există diferențe mari de temperatură între structurile exterioare de închidere și obiectele interne generatoare de căldură. În consecință, contribuția transferului radiativ de căldură nu poate fi neglijată în simulare. O dificultate suplimentară în formularea matematică a problemei constă în faptul că un tren greu cu o temperatură de -31 ° C este adus în clădire de mai multe ori pe schimb. Se încălzește treptat, răcind aerul din jurul său.

Pentru a menține temperatura necesară a aerului în volumul atelierului (în sezonul rece cel puțin 15 ° C), proiectul prevede sisteme de ventilație și aer condiționat. În faza de proiectare s-au calculat debitul și temperatura aerului furnizat necesare pentru menținerea parametrilor necesari. A rămas întrebarea - cum să alimenteze cu aer volumul atelierului pentru a asigura cea mai uniformă distribuție a temperaturii pe întreg volumul. Modelarea a permis pentru o perioadă relativ scurtă de timp (două până la trei săptămâni) să se vadă modelul fluxului de aer pentru mai multe opțiuni de alimentare cu aer și apoi să le compare.

ETAPE DE MODELARE MATEMATICĂ

Construirea geometriei solide.
Împărțirea spațiului de lucru în celule ale rețelei de calcul. Ar trebui să se prevadă în prealabil zonele în care este necesară o rafinare suplimentară a celulelor. Atunci când construiți o grilă, este foarte important să găsiți o cale de mijloc în care dimensiunea celulei este suficient de mică pentru a obține rezultate corecte, în timp ce numărul total de celule nu va fi atât de mare încât să tragă timpul de calcul până la un timp inacceptabil. Prin urmare, construirea grilei este o întreagă artă care vine cu experiență.
Stabilirea condițiilor de limită și inițiale în conformitate cu formularea problemei. Este necesară înțelegerea specificului sarcinilor de ventilație. Un rol important în pregătirea calculului îl joacă alegerea potrivita modele de turbulență.
Selectarea unui model fizic adecvat și a unui model de turbulență.

Rezultatele simularii

Pentru a rezolva problema luată în considerare în acest articol, au fost trecute toate etapele modelării matematice.

Pentru a compara eficiența ventilației, au fost alese trei opțiuni de alimentare cu aer: la unghiuri față de verticală de 45 °, 60 ° și 90 °. Aerul era furnizat de la grile standard de distribuție a aerului.

Câmpurile de temperatură și viteză obținute ca rezultat al calculului la diferite unghiuri de alimentare cu aer de alimentare sunt prezentate în Fig. 1.

După analizarea rezultatelor, unghiul de alimentare cu aer de alimentare egal cu 90 ° a fost ales ca fiind cea mai reușită dintre opțiunile luate în considerare pentru ventilația atelierului. Cu această metodă de hrănire, nu se creează viteze crescute zonă de muncăși este posibil să se realizeze o imagine destul de uniformă a temperaturii și vitezei pe întregul volum al atelierului.

Decizia finala

Câmpuri de temperatură și viteză în trei secțiuni transversale care trec prin grilajele de alimentare sunt prezentate în Fig. 2 și 3. Distribuția temperaturii în întreaga încăpere este uniformă. Doar în zona în care sunt concentrate cuptoarele sunt mai multe valori mari temperatura sub tavan. Există o zonă mai rece în colțul din dreapta al camerei, cel mai îndepărtat de cuptoare. Aici intră trăsurile reci de pe stradă.

Smochin. 3 se vede clar cum se propagă jeturile orizontale ale aerului furnizat. Cu această metodă de alimentare, jetul de alimentare are o rază suficient de mare. Deci, la o distanță de 30 m de grătar, viteza curgerii este de 0,5 m / s (la ieșirea din grătar, viteza este de 5,5 m / s). În restul încăperii, mobilitatea aerului este redusă, la nivelul de 0,3 m/s.

Aerul încălzit din cuptorul de întărire deviază fluxul de aer de alimentare în sus (Fig. 4 și 5). Aragazul încălzește foarte mult aerul din jurul său. Temperatura la podea este mai mare aici decât în mijlocul camerei.

Câmpul de temperatură și liniile de flux din două secțiuni ale magazinului fierbinte sunt prezentate în Fig. 6.

concluzii

Calculele au permis analizarea eficacității căi diferite alimentarea cu aer a atelierului de conducte. S-a constatat că atunci când este alimentat cu un flux orizontal, aerul de alimentare se răspândește mai mult în încăpere, contribuind la încălzirea sa mai uniformă. Acest lucru nu creează zone cu prea multă mobilitate a aerului în zona de lucru, așa cum se întâmplă atunci când aerul de alimentare este furnizat într-un unghi în jos.

Utilizarea metodelor de modelare matematică în problemele de ventilație și aer condiționat este o direcție foarte promițătoare, permițând în faza de proiectare corectarea soluției, pentru a preveni necesitatea corectării soluțiilor de proiectare nereușite după punerea în funcțiune a obiectelor. ●

Daria Denisikhina - Șef Departament „Modelare matematică”;
Maria Lukanina - Inginer Conducător al Departamentului „Modelare Matematică”;
Mihail Samoletov - Director executiv al SRL „MM-Technologies”

Prognoza conditii termiceîn zonele deservite este o sarcină multifactorială. Se știe că regimul termic se creează cu ajutorul sistemelor de încălzire, ventilație și aer condiționat. Cu toate acestea, la proiectarea sistemelor de încălzire, efectele curenților de aer creați de alte sisteme nu sunt luate în considerare. Acest lucru se datorează parțial faptului că efectul fluxurilor de aer asupra regimului termic poate fi nesemnificativ cu mobilitatea aerului standard în zonele deservite.

Aplicarea sistemelor incalzire radiante necesită noi abordări. Aceasta include necesitatea de a respecta standardele de expunere umană la locurile de muncă și de a ține cont de distribuția căldurii radiante pe suprafețele interioare ale structurilor de închidere. Într-adevăr, cu încălzirea radiantă, aceste suprafețe sunt predominant încălzite, care, la rândul lor, degajă căldură încăperii prin convecție și radiație. Din acest motiv, se menține temperatura necesară a aerului intern.

De regulă, pentru majoritatea tipurilor de spații, împreună cu sistemele de încălzire, sunt necesare sisteme de ventilație. Deci, atunci când se utilizează sisteme de încălzire cu gaz radiant, camera trebuie să fie echipată cu sisteme de ventilație. Schimbul minim de aer în spații cu degajare de gaze și vapori nocivi este prevăzut de SP 60.13330.12. Încălzirea, ventilația și aerul condiționat sunt cel puțin o singură dată și la o înălțime mai mare de 6 m - cel puțin 6 m 3 pe 1 m 2 de suprafață. În plus, performanța sistemelor de ventilație este determinată și de scopul incintei și se calculează din condițiile de asimilare a emisiilor de căldură sau gaze sau de compensare a aspirației locale. Desigur, cantitatea de schimb de aer trebuie verificată și pentru starea de asimilare a produselor de ardere. Compensarea volumelor de aer evacuat se realizează prin sisteme ventilatie de alimentare... În acest caz, un rol semnificativ în formarea regimului termic în zonele deservite revine jeturilor de alimentare și căldurii introduse de acestea.

Metoda cercetării și rezultatele

Astfel, este nevoie de a dezvolta un model matematic aproximativ al proceselor complexe de transfer de căldură și masă care au loc într-o încăpere cu încălzire și ventilație radiantă. Modelul matematic este un sistem de ecuații pentru bilanțele aer-căldură pentru volumele și suprafețele caracteristice ale unei încăperi.

Soluția sistemului vă permite să determinați parametrii aerului în zonele deservite când opțiuni diferite amplasarea dispozitivelor de încălzire prin radiație, ținând cont de influența sistemelor de ventilație.

Să luăm în considerare construcția unui model matematic folosind exemplul unei încăperi de producție echipată cu un sistem de încălzire prin radiație și fără alte surse de degajare de căldură. Fluxurile de căldură de la radiatoare sunt distribuite după cum urmează. Curenții convectivi se ridică în zona superioară de sub tavan și degajă căldură către suprafața interioară. Componenta radiantă a fluxului de căldură al emițătorului este percepută de suprafețele interioare ale structurilor exterioare de închidere ale încăperii. La rândul lor, aceste suprafețe degajă căldură prin convecție către aerul interior și radiații către alte suprafețe interne. O parte din căldură este transferată prin structurile exterioare de închidere către aerul exterior. Schema de transfer de căldură calculată este prezentată în Fig. 1a.

Să luăm în considerare construcția unui model matematic folosind exemplul unei încăperi de producție echipată cu un sistem de încălzire prin radiație și fără alte surse de degajare de căldură. Curenții convectivi se ridică în zona superioară de sub tavan și degajă căldură către suprafața interioară. Componenta radiantă a fluxului de căldură al emițătorului este percepută de suprafețele interioare ale structurilor exterioare de închidere ale încăperii

În continuare, vom lua în considerare construcția schemei de circulație a fluxului de aer (Fig. 1b). Să luăm schema de organizare a schimbului de aer complet. Aerul este furnizat în cantitate M pr în direcția zonei deservite și se scoate din zona superioară cu un debit Mîn = M pr. La nivelul vârfului zonei deservite, debitul de aer în jet este M p. Cresterea debitului de aer in jetul de alimentare se datoreaza aerului circulant, care este deconectat de la jetul.

Să introducem limitele condiționate ale fluxurilor - suprafețe pe care vitezele au doar componente normale. În fig. 1b, limitele fluxului sunt prezentate printr-o linie întreruptă. Apoi vom selecta volumele estimate: zonă deservită (spațiu cu o ședere constantă a persoanelor); volumele jetului de alimentare și fluxurile convective din apropierea peretelui. Direcția fluxurilor convective din apropierea peretelui depinde de raportul dintre temperaturile suprafeței interioare a structurilor exterioare de închidere și aerul ambiant. În fig. 1b prezintă o diagramă cu un flux convectiv descendent în apropierea peretelui.

Deci, temperatura aerului în zona deservită t wz se formează ca rezultat al amestecării aerului a jeturilor de alimentare, fluxurilor convective în apropierea peretelui și aportului de căldură convectiv din suprafete interioare podeaua și pereții.

Ținând cont de schemele dezvoltate de schimb de căldură și circulație a fluxurilor de aer (Fig. 1), vom compune ecuațiile bilanțurilor căldură-aer pentru volumele selectate:

Aici cu- capacitatea termică a aerului, J / (kg · ° С); Q de la este puterea sistemului de încălzire cu gaz radiant, W; Q cu şi Q* с - transfer de căldură convectiv la suprafețele interioare ale peretelui din interiorul zonei deservite și peretele de deasupra zonei deservite, W; t pp, t c și t wz este temperatura aerului în fluxul de alimentare la intrarea în zona de lucru, în fluxul convectiv din apropierea peretelui și în zona de lucru, ° C; Q TP - pierderea de căldură a încăperii, W, egală cu suma pierderilor de căldură prin structurile exterioare de închidere:

Debitul de aer în fluxul de alimentare la intrarea în zona deservită se calculează folosind dependențele obținute de M.I.Grimitlin.

De exemplu, pentru distribuitoarele de aer care creează jeturi compacte, debitul în jet este:

Unde m- coeficient de amortizare a vitezei; F 0 - aria secțiunii transversale a conductei de racord de admisie a distribuitorului de aer, m 2; X- distanta de la distribuitorul de aer pana la punctul de intrare in zona deservita, m; LA n - coeficientul de non-izotermalitate.

Consumul de aer în fluxul convectiv din apropierea peretelui este determinat de:

Unde tс - temperatura suprafeței interioare a pereților exteriori, ° C.

Ecuații echilibru termic pentru suprafețele limită sunt:

Aici Q c, Q* c, Q pl și Q Fri - transfer de căldură convectiv la suprafețele interioare ale peretelui din cadrul zonei deservite - peretele de deasupra zonei deservite, pardoseala și respectiv acoperire; Q tp.s, Q* TP.s., Q TP.pl, Q tp.pt - pierderi de căldură prin structurile corespunzătoare; W cu, W* c, W pl, W Fri - fluxuri de căldură radiantă de la emițător care intră pe aceste suprafețe. Transferul convectiv de căldură este determinat de relația cunoscută:

Unde m J - coeficient determinat luand in considerare pozitia suprafetei si directia fluxului de caldura; F J - suprafata, m 2; Δ t J este diferența de temperatură dintre suprafață și aerul ambiant, °C; J- indicele tipului suprafeţei.

Pierdere de căldură QтJ poate fi exprimat ca

Unde t n - temperatura aerului exterior, °C; t J - temperaturile suprafețelor interioare ale structurilor exterioare de închidere, ° C; Rși R n - rezistența termică și transferul de căldură al gardului exterior, m 2 · ° C / W.

S-a obținut un model matematic al proceselor de transfer de căldură și masă sub acțiunea combinată a încălzirii radiante și a ventilației. Rezultatele soluției ne permit să obținem principalele caracteristici ale regimului termic în proiectarea sistemelor de încălzire radiantă pentru clădiri în diverse scopuri, dotate cu sisteme de ventilație.

Fluxurile de căldură radiantă de la radiatoarele sistemelor de încălzire cu radiație Wj sunt calculate prin zonele de radiație reciprocă conform metodei pentru o orientare arbitrară a emițătorilor și a suprafețelor înconjurătoare:

Unde cu 0 - emisivitatea unui corp absolut negru, W / (m 2 · K 4); ε IJ - emisivitate redusă a suprafețelor implicate în transferul de căldură euși J; H IJ - zona reciprocă de radiație a suprafețelor euși J, m2; T eu - temperatura medie suprafața emitentă, determinată din bilanțul termic al emițătorului, K; T J este temperatura suprafeței de absorbție a căldurii, K.

Când înlocuim expresii pentru fluxurile de căldură și debitele de aer în jeturi, obținem un sistem de ecuații care sunt un model matematic aproximativ al proceselor de transfer de căldură și masă în timpul încălzirii radiante. Programele de calculator standard pot fi folosite pentru a rezolva sistemul.

S-a obținut un model matematic al proceselor de transfer de căldură și masă sub acțiunea combinată a încălzirii radiante și a ventilației. Rezultatele soluției fac posibilă obținerea principalelor caracteristici ale regimului termic în proiectarea sistemelor de încălzire radiantă pentru clădiri în diverse scopuri, echipate cu sisteme de ventilație.