Диссертация (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 2

Для неявно заданной математической модели криогенной системыопределить набор необходимых экспериментальных данных и создатьмодели ее структурных элементов.3. Разработатьпрограммныйопределенияиспользованиемтребуемыхкомплексдляэкспериментальныхстандартнойсистемыавтоматизированногохарактеристикуправлениясгелиевыможижителем/рефрижератором.4.

Создать математическую модель криогенной системы линейногоускорителя ARIEL с учетом нестационарности рабочих процессов ипроверить корректность данной модели.5. Определить целевые функций и провести оптимизационный анализи оценку эффективности различных методов оптимизации в рамкахматематической модели.6. Проверить достоверность результатов оптимизации с использованием8экспериментальных данных исследуемой системы.7. Сформировать методику оптимизационного анализа нестационарныхпроцессов гелиевых криогенных систем на базе математической моделис использованием расчетных и экспериментальных данных.Научная новизнаНовизнаисследований,выполненныхприрешенииэтихзадач,заключается в следующем:1.

Проверена применимость математического моделирования криогенныхсистемсучетомнестационарностирабочихпроцессовдляоптимизационного анализа.2. Получена новая научная информация о полезных эффектах различныхметодовоптимизациикриогенныхсистемсиспользованиемматематической модели и их корреляции с экспериментальнымиданными криогенной системы линейного ускорителя проекта ARIEL.3. Представлен универсальный метод автоматизированного определенияэкспериментальныххарактеристиккриогеннойсистемысиспользованием данных со стандартной системы управления гелиевогоожижителя/рефрижератора.Практическая значимость1. Разработанная в рамках настоящей научно-исследовательской работыматематическая модель криогенной системы линейного ускорителяпроекта ARIEL позволяет производить моделирование различныхрежимов работы криогенной системы (в т.

ч. нештатных) без остановкилинейного ускорителя частиц и связанного с этим прерывания работыэкспериментальных установок, а также без опасности повреждениясуществующего оборудования.2. Разработанноеобеспечениеопределениеврамкахпозволяетнастоящейзначительнохарактеристикработыускоритьразличныхпрограммноеэкспериментальноеэлементовгелиевыхожижителей/рефрижераторов, сокращая затраты на построение их9математических моделей.3. Полученная экспериментальная и аналитическая информация позволяетпроизвести оптимизацию как существующих, так и проектируемыхкриогенных систем, снизить их потребляемую электрическую мощностьи сократить эксплуатационные затраты.4.

Представленнаяметодикаавтоматическогоопределенияэкспериментальных характеристик гелиевого ожижителя/рефрижераторасиспользованиемданныхссистемыуправленияпоказываетвозможность более глубокой интеграции систем управления криогенныхсистем и их математических моделей.5. Разработанный алгоритм оптимизационного анализа является удобныминструментом анализа и оптимизации криогенных систем с учетомнестационарности рабочих процессов.На защиту выносятся следующие результаты и положения:∙ Разработанный программный комплекс, производящий автоматическуюобработку данных с приборов криогенной системы для определенияхарактеристик элементов криогенной системы в режиме реальноговремени.∙ Математическая модель криогенной системы линейного ускорителячастиц проекта ARIEL, позволяющая моделировать работу установкив нестационарных режимах.∙ Полученные на базе математической модели данные об эффективностиразличныхметодовоптимизациинестационарныхпроцессовкриогенной системы и их корреляция с экспериментально полученнымирезультатами.∙ Предложенная методика оптимизационного анализа нестационарныхпроцессовкриогенныхматематическогосистемсиспользованиеммоделированияиразработанногоинструментапрограммногокомплекса для автоматизированного определения экспериментальныххарактеристик элементов криогенной системы.10Апробация работыОсновные результаты и положения диссертации были представлены:∙ Тринадцатая международная конференция «Cryogenics-2014» (ЧешскаяРеспублика, г.

Прага, 2014 г.).∙ Двадцать пятая объединенная международная криогенная инженернаяконференция и международная конференция по криогенным материалам«ICMC 25 – ICMC 2014» (Нидерланды, г. Энсхеде, 2014 г.).∙ Шестаямеждународнаяконференцияпоускорителямчастиц«IPAC-2015» (США, г. Ричмонд, 2015 г.).∙ Двадцатаяиобъединеннаямеждународнаякриогеннаяконференцияинженернаяпокриогеннымконференцияматериалам«CEC/ICMC-2015» (США, г. Чикаго, 2015 г.).∙ Конференция «SRF-2015» («Superconducting Radio Frequency-2015»)(Канада, г. Вистлер, 2015 г.).∙ Доклад-выступлениеэлементарныхчастицвНациональнойиядернойфизикилабораториифизики«TRIUMF»(Канада,г.

Ванкувер, 2015 г.).∙ Двадцать шестая объединенная международная криогенная инженернаяконференция и международная конференция по криогенным материалам«ICMC 26 – ICMC 2016» (Индия, г. Нью-Дели, 2016 г.).∙ Доклады-выступлениянакафедре«Холодильная,криогеннаятехника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУим. Н. Э. Баумана (Россия, г. Москва, 2016 г.).∙ Симпозиум «Workshop on Cryogenic Operations-2016» (США, г. Чикаго,2016 г.).ПубликацииМатериалы диссертации опубликованы в 4 научных статьях, 4 изкоторых в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 2 из которых в изданиях,индексируемых в международной цитатно-аналитической базе данных«Scopus», опубликованы тезисы 4 докладов.11Достоверность результатовДостоверность данных, полученных в результате математическогомоделирования,моделированияавторомподтверждаетсяссогласованностьюэкспериментальнымиматематическаямодельданными.криогеннойрезультатовПредставленнаясистемыбазируетсянафундаментальных законах и уравнениях термодинамики и динамикитекучих сред.

Достоверность полученных экспериментальных данныхподтверждается использованием аттестованных измерительных средств иапробированных методик измерений, а также хорошей воспроизводимостьюэкспериментальных данных о работе криогенной системы линейногоускорителя проекта ARIEL в течение трех лет.Личный вклад автораАвторомдиссертациипроведенпоисково-сравнительныйобзорлитературы, выполнена постановка проблемы исследования нестационарныхпроцессовкриогенныхсистем,разработанаматематическаямоделькриогенной системы для моделирования нестационарных режимов ееработы, разработан программный комплекс для обработки данных сприборовкриогеннойсистемыдляавтоматизированногоопределенияэкспериментальных характеристик ее элементов, проведено математическоемоделированиеработыданнойкриогеннойсистемынаразличныхнестационарных режимах.

Автором разработана методика оптимизационногоанализа нестационарных процессов криогенных систем с использованиеминструментаматематическогомоделированияиразработанногопрограммного комплекса и произведена оптимизация нестационарныхпроцессов стандартного ожижителя/рефрижератора в составе криогеннойсистемыускорителязаряженныхчастиц.Эксплуатацияисследуемогоожижителя/рефрижератора производилась совместно с Д.

С. Киши вНациональной Лаборатории Физики Элементарных Частиц и ЯдернойФизики «TRIUMF». Подготовка к публикации полученных результатовпроводилась совместно с соавторами в Национальной Лаборатории Физики12Элементарных Частиц и Ядерной Физики «TRIUMF» и в МосковскомГосударственном Техническом Университете им. Н. Э. Баумана, причемвклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертациирезультаты получены лично автором.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, спискаобозначений и сокращений, списка литературы и приложения. Общий объемдиссертации составляет 161 страницу, включая 52 рисунка и 10 таблиц.Список литературы включает 96 наименований.13ГЛАВА 1.

ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ. ПОСТАНОВКАЗАДАЧ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯНа текущем этапе развития низкотемпературной техники и технологийширокая доступность методов получения, транспортировки и использованияжидкого гелия приводит к увеличению областей его применения. Нарядус традиционными областями использования холода на уровне температуржидкого гелия, связанными с лабораторными исследованиями по изучениюсвойств материи и проведением высокоточных измерений, с конца 1980-xгодов развивается отдельное направление криогенной техники, связанное снеобходимостью обеспечения сотен и тысяч Ватт холодопроизводительностина уровне 4 К для крупных установок. Несмотря на значительные успехив получении высокотемпературных сверхпроводников (например, материаловна базе металлокерамических соединений), низкая технологичность такихматериалов существенно ограничивает их применение.