Диссертация (Разработка метода расчета сложных разветвленных пневматических систем), страница 2

Еще в работах Андрияшева, Лобачева и Кроссаотмечалось, что решение данной задачи возможно только итерационнымиметодами. Несмотря на большое количество научных работ Г. Киргофа,М.М. Андрияшева, В.Г. Лобачева, Х. Кросса, В.Я. Хасилева, А.П. Меренкова,И.А. Чарного, Б.М. Кагановича, Н.М. Зингера, Э. Тодини, Н.Н. Новицкого,О. Густолизи, Л. Россмана, Д. Савича, З. Копелана и других авторов,посвященных развитию данной тематики, развитию математическогоаппарата и его программной реализации, проблема потокораспределения приработе с большими разветвленными ПС, особенно с газообразнымирабочими средами при высоких и средних давлениях исчерпывающегорешения пока не получила.

Обычно применяемые методы не учитываютуравнение энергии в явном виде и вводятся допущения об изотермическомтечении или постоянстве физических свойств рабочих сред, что можетхорошо описывать конкретную систему, однако на произвольные ПС, данныедопущения не распространяются, что может привести к неверномупроектированию новых систем.Качество вновь проектируемого оборудования напрямую зависит отточности моделирования, поэтому актуальной задачей является созданиеобоснованной методики и алгоритма расчета потокораспределения в9пневматических и газовых системах, позволяющих проводить исследования,необходимые для разработки высокоэффективных ПС с учетом характерныхособенностей геометрии, удовлетворяющих современным требованиям наукии техники.Объект исследования:Объектомисследованияявляютсясложныеразветвленныепневматические системы.Предмет исследования:Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие вразветвленных пневматических системах.Цель работы:Создание метода расчета и анализа разветвленных пневматическихсистем с учетом теплообмена с внешней средой.Научная новизна:1.

Разработана математическая модель для определения распределениярасходов,давленийитемпературвсложныхразветвленныхпневматических системах. Модель строится на дифференциальныхуравнениях,представляющихсобойфундаментальныезаконысохранения в стационарной постановке в естественных переменных.2. Разработан одномерный метод контрольного объема для определенияраспределения расходов, давления и температур для пневмосистем.Метод расчета позволяет упростить процесс проектирования надежныхсистем и снять многие допущения, которые применяются в настоящеевремя при проведении расчетов пневматических систем (изменениерасхода среды, вызванное сжимаемостью; теплообмен; изменениедиаметра трубопровода).103.

Методпозволяетпотокораспределенияполучитьдляустойчивоепневмосистемсрешениелюбымзадачиколичествомразветвлений и контуров в большом диапазоне значений перепадовдавлений и расходов.4. Разработанэкспериментальныйстендсложноймногоконтурнойпневматической системы. По результатам испытаний полученыгидравлические характеристики расхода от перепада давления дляотдельныхэлементовиразличныхрежимовработыэкспериментального стенда.Практическая ценность1. Разработанные алгоритм и программное обеспечение «CVM-1D»позволяют повысить скорость расчетов при проектировании и анализеэффективности пневматических систем и устройств различногоназначения.2. Разработанныйметодрасчетапозволитуменьшитьколичествопроводимых экспериментальных исследований при проектированииновых пневматических устройств и систем и разрабатывать надежныеконструкции систем, испытания которых сопряжены с опасностью дляжизни и здоровья людей и опасностью заражения окружающей среды(например, систем газопроводов высокого давления).3.

Разработанный стенд, являющийся прототипом адаптивной системырегулирования.Комплексэкспериментальныхирасчетныхисследований с помощью разработанного метода расчета позволилсоздать новое эффективное устройство.4. МетодрасчетавнедренвпрактикупроектированиявООО«ВОРМХОЛС», г. Москва и в МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва.Достоверностьполученныхрезультатовобеспечиваласькросс-верификационным исследованиями и сравнением результатов расчета спомощью разработанного метода расчета и используемого алгоритма с11лицензионнымисертифицированнымпрограммнымобеспечением,отвечающим современным требованиям науки и техники, совпадениемрезультатов расчетных исследований с результатами экспериментальныхисследований и опубликованными в открытой литературе данными.Положения, выносимые на защитуМетод расчета рабочих процессов в пневматических системах сложнойразветвленной конфигурации.

Результаты теоретических, расчетных иэкспериментальных исследований рабочих процессов в ПС.Содержание работыВ первой главе проведен анализ пневматических систем, для которыхактуальна проблема моделирования потокораспределения. Представленаклассификация систем. Рассмотрены и приведены основные методы расчетаи анализа пневматических систем. На основе математических моделей ипринимаемых допущений сделан вывод, что имеющиеся методы расчетанедостаточно разработаны и не позволяют учесть все интересуемыеособенности конструкции и трактов течения разветвленных пневматическихсистем. Для систем сложной разветвленной конфигурации обосновананеобходимость учета в ПС влияния сил внутреннего трения и теплообмена свнешней средой. Показана необходимость разработки нового метода расчета,учитывающегоособенностисложнойконфигурацииразветвленныхпневматических систем. Обоснован выбор численного метода решениясистемыдифференциальныхтепломассообменавПС.уравнений,Предложенныйописывающихметодособенностиявляетсяосновойразработанного метода моделирования рабочих процессов.

В заключенииглавы сформулированы цель и задачи исследования.Вторая глава посвящена созданию метода расчета рабочих процессов впневматических системах. В соответствии со сформулированными задачами,12разработана математическая модель рабочих процессов в разветвленных ПС.Представленметоддискретизациивходящихвсистемууравнений.Разработан итерационный алгоритм решения и соответствующая емупрограммная реализация, позволяющая сократить время подготовки данных,расчета и анализа рабочих процессов в сложных разветвленных ПС.Третья глава посвящена тестированию и проверке адекватностиразработанного метода расчета для определения параметров пневматическихсистем путем сопоставления расчетных данных с опубликованными воткрытой печати исследованиями.

Проведено численное исследованиеопределения влияния размерности задачи на точность и сходимость методарасчета ПС, показавшее большую устойчивость в сравнении со стандартнымпрограммным обеспечением. В заключении главы представлены выводы отом, что предложенный метод расчета апробирован на ряде задачпотокораспределения и показал погрешность менее 1% относительнореференсных данных.Четвертаяглавапосвященаэкспериментальномуисследованиюпневматической системы. Проведено экспериментальное исследованиерабочих процессов в многоконтурной разветвленной пневматической сети,являющейся прототипом адаптивной системы регулирования.

Представленоописаниепроведенияэкспериментальногоисследованияиметодикиобработки результатов. Проведено сопоставление результатов экспериментас результатами численного исследования, показавшее хорошее согласованиерезультатов разработанного метода с экспериментальными данными.В заключении представлены результаты работы согласно задачамисследования.13ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА1.1.ОсобенностипроектированияразветвленныхпневматическихсистемПневматические системы (ПС) – это совокупность узлов, агрегатов иустройств, а так же систем соединяющих их каналов, в которых в качестверабочего тела используется газ [1].В силу сложной пространственной компоновки ПС, почти каждая изних представляется сетью параллельных и последовательных соединений спомощью различных каналов, что приводит к сложности определениярасхода в каждом канале, с учетом изменения температуры и давления подлине каждого канала.

Задача определения расходов на каждом отдельномучастке (канале) ПС, давлений/напоров и температур в установленных на нихустройствах является неотъемлемой частью проектирования новых систем.Анализ потокораспределения особенно важен для пневматических системэнергетическогоприродногогражданской,оборудования,газа,вмагистралейтеплофикационныхавтомобильной,системвдляитранспортировкитрубопроводов,авиационной,вкосмическойпромышленностях и других областях машиностроения [3, 4].В условиях современной экономики, требуется создание не тольковысокоэффективных, но и наименее затратных систем [4, 5]. Поэтому задачиоптимизации,совместносматематическиммоделированиемприпроектировании новых устройств и систем стали неотъемлемой частьюпроцесса конструирования ПС.

Разработке устройств, сочетающих в себенизкую стоимость с высокой эффективностью, посвящены работы [6-12].Весь комплекс математического моделирования позволяет уменьшитьзатраты электроэнергии для насосных и компрессорных станций [13-15].Наиболее остро вопросы трассировки и высокой эффективности встаютдля протяженных трубопроводов и воздухопроводов, трассировка которых14представляетсобойсложнуюразветвленнуюпространственнуюконфигурацию с большим количеством арматуры [16, 17]. Это приводит кдополнительным проблемам оценки распределения давления в узлахпотребителей и в каналах разветвленных систем [2, 18, 19, 20].Разветвленные трубопроводные сети являются наиболее проблемнымсегментом систем газоснабжения и теплоснабжения [20]. Так, например,согласно сводным данным по объектам теплоснабжения 39 регионовРоссийской Федерации, их суммарная протяженность в составляет более 200тыс.

км, а диаметр магистральных трубопроводов – 1200..1400 мм, при этомсредний износ требующих постепенной замены систем оценивается в 60-70%[22, 23]. Для всего спектра этих задач требуется определить влияние новыхтрассировок и материалов на работу тысяч потребителей. Разработка иприменениеновыхсовременныхтехнологиймоделированиятеплогидравлических процессов как в локальных системах, так и в системахбольшой размерности позволяет еще на стадии проектирования оперативновыбрать наиболее рациональную компоновку пневматической системы [24,25].На неравномерность распределения расходов и давлений в ПС большоевлияние оказывают арматура, поворотные колена, тройники, диффузоры,турбооборудование,насосноеикомпрессорноеоборудование[1].Практически в каждой ПС можно найти по меньшей мере один изперечисленных выше элементов.

Трубопроводные системы состоят из трубразличной длины, диаметров и материалов, что приводит к дополнительнойнелинейности коэффициентов гидравлического сопротивления трения дляПС в целом, что также необходимо учитывать, особенно при проектированиипротяженных транспортных трубопроводных систем с различными рабочимисредами [26].Работа оборудования в нерасчетном режиме зачастую приводит к егополомкам. Так, со временем изменяются свойства каналов из-за коррозиииспользуемых материалов или отложений на стенках. В связи с этим15снижается и пропускная способность трубопроводов, а гидравлическиепотери на трение при этом значительно возрастают [27].Анализ режимов работы ПС позволяют выявить предельные нагрузкина системы и уменьшить возможные разрывы трубопроводов на систему [28,29].