Диссертация (Разработка метода расчета сложных разветвленных пневматических систем)

Московский государственный технический университетим. Н.Э. Баумана__________________________________________________________________На правах рукописиУДК 533; 535.5; 621.6Волков Василий ЮрьевичРАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА СЛОЖНЫХ РАЗВЕТВЛЕННЫХПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМСпециальность 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника ипневмосистемыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –кандидат технических наук,доцентБелова Ольга ВладимировнаМосква – 20152ОглавлениеСтр.ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ...................... 5Введение ...................................................................................................................

7Глава 1. Обзор состояния вопроса ....................................................................... 131.1.Особенностипроектированияразветвленныхпневматическихсистем ..................................................................................................................... 131.2. Современные методы расчета рабочих процессов, протекающих вразветвленных ПС .................................................................................................

171.2.1. Методы расчета рабочих процессов ПС в приближениираспределенных параметров ................................................................................ 221.2.2. Методы расчета рабочих процессов ПС в приближениисосредоточенных параметров ..............................................................................

231.2.3. Методы расчета сложных разветвленных изотермических ПС ............. 261.2.4. Методы расчета сложных разветвленных неизотермических ПС ......... 351.3.Обзорпрограммногообеспечениядлямоделированияразветвленных ПС ................................................................................................. 381.4. Выбор метода расчета разветвленных ПС................................................... 401.5.

Выводы по главе 1 .......................................................................................... 41Глава 2. Разработка метода расчета рабочих процессов в разветвленныхПС ...........................................................................................................................

442.1. Постановка задачи.......................................................................................... 442.2. Разработка метода расчета разветвленных ПС ........................................... 472.2.1 Дискретизация расчетной области ............................................................. 472.2.2. Построение дискретного аналога уравнения движения ......................... 492.2.3. Построение дискретного аналога уравнения неразрывности ................ 583Стр.2.2.3. Построение дискретного аналога уравнения энергии .............................

602.3. Разработка алгоритма численного решения ................................................ 642.4. Разработка программной реализации метода ............................................. 652.4. Выводы по главе 2 .......................................................................................... 68Глава 3.

Примеры применения метода расчета рабочих процессов вразветвленных ПС ................................................................................................. 693.1. Примеры расчетов изотермических пневматических систем ................... 693.1.1. Расчет разветвленной системы с постоянными коэффициентамисопротивления .......................................................................................................

693.1.2. Расчет разветвленной системы с нелинейными коэффициентамисопротивления (уравнение Дарси-Вейсбаха) ..................................................... 733.1.3. Расчет разветвленной системы с нелинейными коэффициентамисопротивления (уравнение Хазена-Вильямса) ................................................... 763.2. Тестирование разработанного метода расчета для решения задачбольшой размерности ........................................................................................... 803.2.1.

Создание искусственных тестовых задач ................................................. 803.2.2. Решение задач размерностью ~104 связей ................................................ 823.2.3. Решение задач размерностью ~106 связей ................................................ 853.2.4. Сравнение со стандартным ПО для расчета разветвленных систем ..... 873.3.

Расчет пневматических систем ..................................................................... 933.3.1. Течение идеального газа в сужающемся канале ...................................... 933.3.2 Течение газа в одноконтурной системе каналов ...................................... 963.3.3. Течение газа в разветвленной системе каналов ....................................... 993.4. Выводы по главе 3 ........................................................................................ 1014Стр.Глава 4.

Экспериментальное исследование рабочих процессов в ПС исравнение с результатами численного исследования...................................... 1024.1. Описание экспериментального стенда....................................................... 1024.2. Методика проведения экспериментальных исследований ...................... 1124.3.Определениепогрешностирезультатовэкспериментальныхисследований ....................................................................................................... 1134.4. Обработка результатов эксперимента ........................................................

1154.4.1. Экспериментальное исследование характеристик рабочего участка .. 1164.4.2. Исследование режимов работы экспериментального стенда ............... 1214.5. Проведение расчетных исследований пневматической системыэкспериментального стенда ............................................................................... 1234.5.1.Разработкарасчетнойсхемыпневматическойсистемыэкспериментального стенда ...............................................................................

1234.5.2 Кросс-верификация метода расчета с помощью CFD ............................ 1254.5.3.Сравнениерезультатовчисленногорасчетаинатурногоэксперимента ....................................................................................................... 1274.6. Выводы по главе 4 ........................................................................................

128Основные результаты и выводы ........................................................................ 130ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................... 1325ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙA─абсолютная погрешность;с─удельная теплоемкость;D, L, f и т.д.─геометрические параметры расчетной области;S─площадь сечения;g─ускорение свободного падения;P─давление;Pr─число Прандтля;u, v, w─скорость в проекциях на оси x, y, z ;u─вектор скорости;R─универсальная газовая постоянная;Re─число Рейнольдса;T─температура;V─объем;─относительная погрешность;ξ─коэффициент гидравлического сопротивления (КГС);─коэффициент теплопроводности;─динамическая вязкость;k─коэффициент температуропроводности;─кинематическая вязкость;─среднеквадратическая погрешность.Подстрочные индексын.у.─нормальные условия;ср─среднее значение;i─текущее значение индекса;p, e, w─параметр на границе контрольного объема;P, E, W ─параметр в узлах контрольных объемов.6СокращенияКГС─коэффициент гидравлического сопротивления;МКО─метод контрольных объемов;МКР─метод контурных расходов;МКЭ─метод конечных элементов;ПО─программное обеспечение;ПС─пневматическая система;GGA─глобальный градиентный алгоритм (global gradient algorithm);PC─персональный компьютер (personal computer).7ВВЕДЕНИЕАктуальность исследованияПневматические системы (ПС) – это совокупность узлов, агрегатов иустройств, а также систем соединяющих их каналов, в которых в качестверабочего тела используется газ.

Задача определения расходов на каждомучастке системы и давлений и температур в ее пневматических устройствахявляется неотъемлемой частью проектирования новых элементов и систем вцелом.Важнейшее значение имеет экономичность ПС, в связи с чемпроводится множество анализов чувствительности с точки зрения влиянияотдельных элементов на всю систему в целом. Поэтому неотъемлемойпроблемой является параллельное развитие математического аппарата иметодов решения проблем создания как отдельных устройств, так и большихраспределенных сетей.Современныеновыеисследования,накопленныеданные,росткомпьютерных мощностей и возможность получения данных в реальномвремени благодаря современным измерительным приборам позволилидостаточно глубоко изучить проблему потокораспределения в разветвленныхтрубопроводныхпневматическихсистемах.Помиморазличныхстационарных и переходных режимов на насосных и компрессорныхстанциях, расчеты позволяют определить некоммерческое и нелегальноеиспользованиеперекачиваемойсреды,атакжеуменьшитьзатратыэлектроэнергии для станций за счет оптимальной трассировки сети с учетомразличной загрузки в течение характерных рабочих циклов.

Также расчеты ианализ пневматических и газовых сетей позволяют уменьшить вероятностьвозможных разрывов трубопроводов и загрязнения транспортируемых сред.Наиболееактуальнымипроблемамидлямоделированияпроцессовпотокораспределения является подключение новых абонентов в систему,8когда требуется определить изменение работы всей системы. Современныепрограммные продукты позволяют выполнять калибровку систему, чтобыпомочь пользователю определить «тупиковые» ветки системы, провестиоптимизацию сети и еще на стадии проектирования выбрать оптимальноерешение по ее строительству или модернизации.В настоящее время большинство промышленно развитых стран ведутинтенсивные работы по замене устаревшего оборудования на новое. В связис этим важнейшее место уделяется аспекту изучения и моделированияпотокораспределения в пневматических системах.Основным методом решения задач потокораспределения являетсячисленное моделирование.