Рф федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

4.1 Назначение аналого-цифрового комплекса

Одним из самых перспективных методов изучения различных процессов, особенно сложной природы, например, когда гидродинамическая картина исследуемого процесса ощутимо влияет на процессы переноса тепла и/или массы, является системный анализ. При реализации данного метода исследуемый реальный процесс представляется в виде гак называемой физико-химической системы, в состав которой входят элементарные процессы, протекающие одновременно и оказывающие взаимное влияние друг на друга.

При системном анализе технологических процессов обычно прибегают к их моделированию. К настоящему времени сложилось два основных вида моделирования, которые находятся в непрерывном взаимодействии и взаимно дополняют друг друга: физическое и математическое.

В основе физического моделирования лежит теория подобия и размерности. Оно заключается в экспериментальном исследовании процессов на моделях. При этом исследуется явление не в натуре, а на модели большего или, чаще всего, меньшего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях.

Физическое моделирование - единственный надежный способ получения систематических экспериментальных данных о характере и особенностях действительных процессов, которые могут быть положены в основу проектирования новых установок, расчета их характеристик, оптимизации конструктивных и режимных параметров.

Особенно это относится к сложнейшим процессам термо-и газодинамики и тепломассообмена, протекающим в энергетических установках. Результаты физического моделирования обычно служат той экспериментальной основой, на которой строится и без которой невозможно математическое моделирование.

Двумя недостатками, ограничивающими область применения этого вида моделирования, являются, во-первых, невозможность получения прогнозирующих зависимостей исследуемых процессов, и, во-вторых, его высокая стоимость.

Математическое моделирование базируется на знании термодинамических и теплофизических свойств рабочих веществ; уравнений материального и теплового балансов и тепломассопереноса; особенностей действия процессов тепломассообмена; конструктивных особенностей элементов машин и других факторов.

Математической моделью реального, физического объекта является математический; объект в виде системы уравнений, дополненной начальными, граничными условиями и описаниями, которые определяют области и диапазоны изменения физических характеристик и технологических параметров, поставленный в соответствие изучаемому физическому объекту, способный замещать оригинал на определенных этапах познавательного процесса и давать при его изучении новую информацию о реальном объекте.

Основными преимуществами математического моделирования перед физическим являются следующие:

- применение математической модели на этапах замысла и проектирования машин и установок дает возможность заранее определить их параметры и характеристики, что позволяет практически исключить вынужденное применение дорогостоящего метода проб и ошибок, и связанные с этим затраты на реализацию схем и конструкций, которые могут оказаться нерациональными;

- математическая модель - чрезвычайно гибкий объект, позволяющий воспроизводить любые как реальные, так и гипотетические ситуации. Поэтому при моделировании появляется возможность имитировать и исследовать особенности работы машин и установок в самых различных условиях, в том числе таких, которые практически невозможно реализовать в опытах, например, сверхвысоких или сверхнизких температур или давлений. Благодаря этому уменьшается потребность в сложном лабораторном оборудовании и в эксплуатационных испытаниях машин;

- работу некоторых очень сложных или опасных, с точки зрения их взрывов и пожароопасности или токсичности, систем невозможно проанализировать в необходимом объеме ни с помощью лабораторных, ни с помощью натурных экспериментов. В этом случае применение математической модели представляет собой единственный способ решения этих задач;

- математическое моделирование позволяет использовать новейшие методы извлечения информации из экспериментальных данных. Особое значение приобрел в последнее время метод интенсификации, позволяющий оценить ненаблюдаемые в процессе проведения опытов параметры или выбрать наилучшую структуру математического описания зависимости между отдельными факторами.

Математические исследования вскрывают природу явлений и тем самым позволяют установить количественные и качественные зависимости изучаемых процессов, но математическое моделирование невозможно без знания уточненных параметров переноса и их зависимости от всех входящих факторов.

В практике даже ведущих мировых производителей теплообменной техники, как правило, используется комбинированный способ моделирования, при котором отдельные данные, полученные путем математического моделирования, проверяются с помощью эксперимента и наоборот.

Для реализации приведённых рекомендаций предлагается использование аналого-цифрового комплекса [34]

Задачей, на решение которой направлен АЦК, является создании эффективного способа моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени РКН и устройства на основе физической и математической моделей, путем повышения точности, достоверности, верификации и валидации получаемых результатов [25,35]

Основной проблемой при разработке АЦК являются:

- определение структуры АЦК;

- выбор сложности математической и физической моделей;

- организация функционирования (внутренних связей) внутри АЦК, в том числе и синхронизация процессов математического и физического моделирования;

- разработка критериев для оценки эффективности моделируемого процесса (влияние параметров процесса на конечные характеристики, например влияния состава газовой смеси на удельный импульс и т.д.).

Возможность использования моделей различной сложности:

- различные физические модели, например, элементы емкости бака (ЭММУ) и топливный отсек реального бака, модельный компонент (вода) и реальный компонент (керосин);

- различные математические модели, например, уравнение Навье - Стокса и метод теплового баланса;

- оценка на ранних этапах исследования возможных направлений конструирования бортовых систем, например, системы газификации остатков топлива в баках [36]

Указанная задача решается тем, что процесс физического и математического моделирования проводят одновременно, при этом, часть параметров исследуемого процесса, например, давление, температуру берут из физической модели процесса и используют в математической модели, синхронность процессов физического и математического моделирования обеспечивают за счёт введения «математического» времени, т.е. введением задержки в процесс математического моделирования, обеспечивающей синхронность, используя математическую модель процесса, осуществляют пересчёт параметров и рассчитывают различные критерии и показатели, например, текущие тепловые потери, прогнозируемое время завершения процесса газификации и на основании этих критериев и показателей и изменяют параметры физического процесса, например, температуру теплоносителя, массовый секундный расход.

Конкретные виды физической и математической моделей определяют из условия совместимости по исследуемым параметрам, скоростям протекания процессов, например, использование уравнения Навье - Стокса, решаемого в пакете ANSYS требует на 1 секунду реального процесса в среднем 300-600 секунд вычислительного времени. Таким образом, использование таких сложных математических моделей в составе АЦК нереально.